HIDROGEOLOGÍA. EL AGUA EN EL...

Geología, Morfología del terreno y Climatología UPM - ETSIC

© Adrián de la Torre Isidoro 1 www.nuestrosapuntes.webcindario.com

I TEMA 8 i HIDROGEOLOGÍA. EL AGUA EN EL TERRENO

1. HIDROGEOLOGÍA Ciencia que estudia el agua subterránea. El agua que se encuentra entre los huecos del terreno y que

puede circular.

El agua subterránea se utiliza para: Abastecimiento, Regadío e Industria.

El agua existente en el terreno puede incidir negativamente en las Obras Civiles:

• Altera las propiedades físicas del terreno.

- Disminuye la COHESIÓN (Arcillas y limos)

- Produce HINCHAMIENTO (Arcillas y yesos)

- Alteran la PRESIÓN (Muros de carga)

- Producen DISOLUCIÓN (Calizas y yesos)

• Perturba la ejecución de las obras.

- CIMENTACIONES (Rebajar el Nivel freático)

- TÚNELES (Presencia de agua)

- PRESAS (Fugas de agua, inyecciones)

- TALUDES (Drenes)



2. EL CICLO DEL AGUA

Ecuación del Balance hídrico:

P = E + EVT + I ± ΔR

Precipitación (P):

Se mide en litros/m2 = mm de altura

• Los datos se representan mediante isoyetas

• Medidas de la (P) en una cuenca:

- Media aritmética:

- Polígonos de Thyessen:

- Método de las isoyetas:

MAPA DE ISOYETAS



Escorrentía (E): Se mide mediante aforos.

Existen fórmulas empíricas (Coutagne)

β : 0,007 (zonas secas)

0,010

0,012

0,016

0,020 (zonas muy lluviosas)

Evapotranspiración (EVT):

Pérdidas por Evaporación y transpiración.

Se estiman por métodos empíricos de cálculo.

— THORNTHWAITE (EVT Potencial)

en la que: N = número máximo de horas de sol

d = número de días del mes

ε = evapotranspiración potencial media

t = temperatura media diaria del mes en ºC

I = Índice de calor anual

a = 675x10-9xI3 - 771x10-7xI2 + 1972x10-5xI + 0,49239

— TURC (EVT Real)

en la que: P = Precipitación en mm/año

L = 300 + 25t + 0.025 t2

t = temperatura media anual en ºC

INFILTRACIÓN (I): El Agua que se infiltra. Recursos

I = P – E – EVT

RESERVA DE LOS ACUÍFEROS (± ΔR): Puede variar o no.

Depende si se explotan los Recursos

Origen de las aguas subterráneas:

• Procede de la precipitación del agua de lluvia, que en una cierta proporción se infiltra.

• La explotación de las aguas subterráneas se realiza por: Pozos, Galerías y Sondeos.

3. ACUÍFEROS El agua que se infiltra (I = P – E – EVT) pasa a formar parte de los acuíferos.

El agua que existe en el terreno esta de varias formas:

• CONSTITUCIÓN: Solo se pierde por desecación.

• INHIBICIÓN: Se pierde por evaporación.

• GRAVEDAD: Ocupa los poros y fisuras y puede circular



Distribución del agua de lluvia en distintos terrenos

Naturaleza del terreno Evaporación % Escorrentía % Infiltración %

Terreno arcilloso horizontal sin niveles

permeables 75 22 3

Terreno arcilloso silíceo con caliza

(tierra de labor) 50 5 45

Arenisca compactas y poco fisuradas 50 20 30

Calizas horizontales y muy fisuradas 45 5 50

Calizas fisuradas y con fuerte pendiente 25 5 70

Granito y gneis no alterados en

superficie 60 30 10

Pizarras no alteradas en superficie 50 25 25

Rocas volcánicas con oquedades 30 0 70

Aluviales en la superficie del terreno con

poca arcilla 30 5 65

La zona saturada por el agua constituye un ACUÍFERO, cuyo techo, que está a presión atmosférica, se

conoce como NIVEL FREÁTICO.

Movimiento del agua en el ACUÍFERO:

En el suelo (Capacidad de campo)

En la zona no saturada (Gravedad. Vertical descendente)

En la franja capilar (Absorción)

En la zona saturada (Isopiezas)



ACUÍFEROS como Formaciones Geológicas

Acuíferos (Gravas, arenas, calizas)

Acuitardos (Arenas limosas y arenas arcillosas)

Acuicludos (Arcillas)

Acuifugos (Granito, gneis)

Tipos de ACUÍFEROS

Textura

Acuíferos porosos (Materiales detríticos)

Acuíferos cársticos y fisurados (Calizas, yesos)

Acuíferos cársticos y porosos (Calcarenita)

Hidráulica y estructura

Acuíferos libres

Acuíferos semiconfinados

Acuíferos confinados o cautivos

Detrítico

Detrítico de

marga arcillosa

Fisurado

Cárstico

Detrítico de

matriz limosa

Detrítico de

grano poroso

Cárstico y poroso

Acuífero poroso (Detrítico)

Acuífero cárstico y fisurado



Tipos de ACUÍFEROS. Hidráulica y estructura

Acuífero libre

Acuífero confinado

Acuífero semiconfinado



Funcionamiento hidrodinámico de los diferentes tipos de acuíferos

4. PARÁMETROS HIDROGEOLÓGICOS • Porosidad (n): Es el conjunto de huecos del terreno, en %, en relación con su volumen total

(Adimensional).

Vh

Vt

Vs

— Porosidad eficaz (ne):

— Retención específica (Re): Agua de constitución + Agua de Inhibición

— Porosidad total (nt): nt = ne + Re

La Porosidad depende del terreno:

Terreno granular Terreno cohesivo

Forma y tamaño del grano,

Compactación y Cementación Fisuración, Meteorización y Disolución



• Permeabilidad (K) (m/día): Es la capacidad del terreno de dejar pasar agua a su través.

Ley de Darcy (1856). Circulación de un fluido en un medio poroso.

Q = V . A , V = K . i , Q = K . i . A

— Coeficiente de Permeabilidad

Es el caudal (Q) que se filtra a través de una sección unidad del terreno, con un gradiente

unidad (i=1), entrando el agua a una temperatura fija.

• Transmisividad (T) (m2/día):

Es el caudal (Q) que se filtra a través de una sección vertical del terreno de ancho la unidad y

altura la del acuífero, cuyo gradiente es la unidad, a una temperatura fija del agua.

T = K . b

• Coeficiente de almacenamiento (S):

En acuíferos libres: El volumen de agua extraíble de una unidad de acuífero saturado. Porosidad

eficaz.

En acuíferos confinados: el volumen de agua extraíble de una columna vertical de terreno que

tiene por base la unidad y altura la media del acuífero (b), para rebajar el nivel en una unidad.

Ley de DARCY (1856). Rige el movimiento del agua en un acuífero y establece que el flujo a través de un

medio poroso es proporcional a la pérdida de carga, a la sección considerada y la conductividad

hidráulica (Permeabilidad K).

Q = V . A , V = K . i

i = h1-h2/L

Q = K . i . A

L3/T = [K] . L/T . L2

[K] = L3/L2 . T = L/T

[K] (m/día, cm/seg,.)

h1 - h2

h1 h2

A Q

Nivel de referencia

L



Permeabilidad y Transmisividad

T = K . b

[T] = L/T . L

[T] = L2/T

[T] (m2/día, m2/seg…)

MEDIDA DE LA PERMEABILIDAD

1. Tablas. A partir de datos conocidos

Valores de permeabilidad

(Según A. Benítez)

Permeabilidad

cm/seg. 102 1 10-3 10-5 10-7 10-8

Tipo de

terreno

Grava

limpia

Arena

limpia

Arena fina,

arena arcillosa,

mezcla de

arena, limo y

arcilla

Arcilla

Calificación Buenos

acuíferos

Acuíferos

pobres Impermeables

Capacidad de

drenaje Drenan bien

Drenan

mal No drenan

Uso en presas

Partes

permeables de

las presas

Uso en pantallas

impermeables



2. Ensayos de laboratorio

3. Ensayos “in situ”

• En excavaciones (suelos).

Método de Haefeli

El ensayo se basa en llenar una excavación con agua hasta una altura cualquiera, A)

manteniendo el nivel constante y midiendo el caudal de agua necesario para ello, o B)

manteniendo la velocidad de descenso del nivel de agua.

A. NIVEL CONSTANTE

K = permeabilidad en cm/seg

Q = Caudal añadido en cm3/seg

b = Lado de la base inferior en cm

h = altura de agua sobre la base en cm

α= coeficiente de capilaridad de valor 3

B. NIVEL VARIABLE

K = permeabilidad en cm/seg

hm= altura media del agua en el

periodo medido en cm

v = velocidad de descenso cm/seg

1,50 m

0,50 m

0,50 m

0,50 m

1,50 m

ESCALA

0,50 m

0,50 m

1,50 m

Permeámetro de carga fija

(arenas)

Permeámetro de carga variable

(arcillas)



Método de Matsuo

B = Ancho de la canaleta

Q = Caudal necesario para mantener el nivel constante en la canaleta por unidad de longitud

H = Espesor de la lámina de agua estabilizada desde el fondo de la canaleta hasta la superficie

K = Permeabilidad en cm/seg

• Este ensayo se realiza en el interior de excavaciones en suelos secos

semisaturados.

• La permeabilidad (K) se determina a partir del caudal infiltrado en una

excavación con forma de canaleta.

• La longitud de la canaleta debe ser mucho mayor que su anchura

• En sondeos.

En suelos. Ensayo Lefranc

- Carga fija (arenas)

K = Coeficiente de Permeabilidad (cm/seg)

NF = Nivel freático

P = Profundidad de la perforación (cm)

E = profundidad de la entubación cm)

e = entubación por encima del terreno (cm)

de = diámetro entubación (cm)

d = diámetro perforación (cm)

h = tramo ensayado (cm)

H = carga piezométrica (cm)

Q = Caudal admitido (cm3/seg)

Coeficiente de Permeabilidad

B Q

H

Nivel impermeable muy bajo

B Q

H

Nivel impermeable somero

Q

H

NF

E

P

Hs

de

h

d

e



- Carga variable (arcillas)

K = Coeficiente de permeabilidad

(cm/seg)

NF = Nivel freático

P = Profundidad de la perforación (cm)

E = profundidad de la entubación cm)

e = entubación por encima del terreno

(cm)

r = radio de la entubación (cm)

R = radio de la perforación (cm)

l = longitud del tramo ensayado (cm)

H1 = altura de la columna de agua en el

tiempo t1.

H2 = altura de la columna de agua en el

tiempo t2.

Coeficiente de Permeabilidad

En rocas. Ensayo Lugeon

Consiste en ensayar un tramo de 5 m, inyectando agua con presión de hasta 10 Kg/cm2,

durante 10 minutos.

Q = caudal inyectado en l/minuto, medido durante

10 minutos

C = Tramo ensayado (5 metros)

P = Presión 10 kg/cm2

Permeabilidad LUGEON

1 UL = litro/metro x minuto

Permeabilidad

equivalente de DARCY

1 UL ≈ K = 1,5 a 2,1 x 10-5 cm/seg

- ¿Para qué sirve?

Determina la permeabilidad de un macizo rocoso.

Unidades Lugeón: Absorción de 1 litro de agua por minuto y por metro de sondeo.

e

H1

H2

NF

E

P

H3

2r

l

2R



- Interpretación Ensayo Lugeon.

• En pozos

Ensayos de bombeo en acuífero libre

Permeabilidad. T = K x m , K = 500 / 10 = 50 m/día

Caudal bombeo.



Ensayo de bombeo en acuífero confinado

Permeabilidad.

T =K x m = 500 m2/día

K =T/m = 500/10 =50 m/día

Caudal bombeo.

FÓRMULA DE THIEM. ACUÍFERO LIBRE

Según DARCY

Pozo de

bombeo PB P1

Pozos de

obdervación P2

Nivel del terreno

NF Nivel freático

s2

s1

m h2

h1

Estrato Impermeable

R (Radio de influencia)

dh

dr

r1

r2

r

h

rp

Q



Integrando

,

En la figura del acuífero tenemos que:

Cuando los pozos de observación están muy alejados del pozo de bombeo, los descensos s1 y s2 son

pequeños y entonces:

Despejando el caudal, Q:

Fórmula de Thiem

FÓRMULA DE DUPUIT. ACUÍFERO LIBRE

Cuando no se tienen piezómetros se puede emplear la fórmula de Thiem, teniendo en cuenta

que se pueden sustituir los valores de r1 por el radio del pozo de bombeo rp y el valor r2 por el

radio de influencia R, así como el valor de s1 por (descenso en el pozo de bombeo) y s2 = 0, se

obtiene la siguiente expresión:

Fórmula de Dupuit

2

22

1

2

212

hh

Q

KLrLr

2

1

2

2

1

2 hhQ

K

r

rL

1221

1

2 hhhhQ

K

r

rL

12122 sshhm 122 hhm

22 shm 1122 shsh

11 shm 2112 sshh

s

r

RL

mKQ

p

2

21

1

2

2ss

r

rL

mKQ



FÓRMULA DE THIEM. ACUÍFERO CONFINADO

Según DARCY

Integrando

En la figura del acuífero tenemos que:


Fórmula de Thiem

1212

2hh

Q

mKLrLr

12

1

2 2hh

Q

mK

r

rL

21

1

2 2ss

Q

mK

r

rL

2

1

2

1

2 h

h

r

rdh

Q

mK

r

dr , 2

1

2

1

2 h

h

r

r hQ

mKLr

1122 shsh

2112 sshh

21

1

2

2ss

r

rL

mKQ



FÓRMULA DE THIEM. CAUDAL DE AGUA EN UNA GALERÍA POR METRO DE ESPESOR

Integrando

Según DARCY

Q =V . A =K . i . A


Caudal por m de

galería filtrante

Caudal correspondiente

a la mitad de la galería

Nivel del terreno

NF Nivel freático

h2

h1

x1

x2

dh

dx

x

h

2

1

2

1

h

h

x

xdhh

Q

Kdx

2

1

2

1 2

2h

h

x

x

h

Q

Kx

2

1

2

2122

hhQ

Kxx

dx

dhi h

dx

dhKQ

1 hA dhhQ

Kdx

12

2

1

2

2

2 xx

hhKQ

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