p2 Galerias Filtrantes

Contenido

2.1 Introducción

2.2 Clasificación

2.3 Consideraciones generales para su diseño

2.4 Tomas Laterales

2.5 Toma tirolesa

2.6 Toma Cáucaso modificado

2.7 Galerías filtrantes

160Obras hidráulicas I: Obras de toma en cauce

161Obras hidráulicas I

GALERÍA FILTRANTE• Son obras horizontales destinadas a la captación

de aguas sub-superficiales ubicadas en loslechos de los ríos o márgenes por medio deorificios, drenes o bóvedas.

• Constan de una canalización, túnel o tuberíasranuradas.

• Pueden descargar su flujo por gravedad (aniveles más bajos que la galería, se necesitarecorrer una cierta distancia) y por bombeo(desde una cámara situada a un extremo de lagalería)


GALERÍA FILTRANTE

Foto Galería Zamora en Cochabamba (PRONAR, 2011)


GALERÍA FILTRANTE

Esquema Galería Zamora en Cochabamba (PRONAR, 2011)


GALERÍA FILTRANTE

• El uso de galerías filtrantes es adecuado en lossiguientes casos:

o Cuando una toma superficial no es confiableo Cuando la construcción de una galería podría

ser la forma más económica de captar el flujotemporal subsuperficial o superficial.

o Cuando no es posible fundar la presaderivadora en material impermeable, lo quepuede causar pérdidas de agua.


Ventajas de las galerías construidas enmateriales no consolidados• Fáciles de excavar o perforar.• Posición favorable para recibir la recarga de los

ríos y lagos (ubicación favorable donde nivelespiezométricos están muy próximos a la superficie).

• Suelos con alta porosidad efectiva, permitendisponer de mayor cantidad de agua subterránea.

• Permeabilidad más elevada con respecto a otrasformaciones.

• Disponibilidad de recursos hídricos en estiaje eincremento de los mismos en época lluviosa.


CLASIFICACIÓN GALERIAS FILTRANTESA. Según aspectos constructivos

i) Galerías propiamente dichas

• Son excavaciones horizontales que se inician conun emboquillado o boca de entrada, desde dondese procede a excavar la galería.

• La parte inferior de la galería se encuentra ubicadadebajo del nivel de agua en la zona de saturación,y la parte superior en la zona húmeda.




• La sección transversal tiene dimensionessuficientes para permitir desplazamiento deequipos y personas encargadas de suconstrucción (1.80 x 0.80 m)

• Las pendientes del piso están entre uno y diez pormil. Deben excavarse pozos de ventilación cada40 o 100 m a fin de ventilar la galería.


CLASIFICACIÓN GALERIAS FILTRANTESA. Según aspectos constructivosii) Zanjas o trincheras• Están compuestas por excavaciones a cielo abierto• Normalmente, las profundidades no excecen los

seis metros.• Son utilizadas cuando el agua subsuperficial está

muy próxima a la superficie del suelo y no serequieren provocar grandes descensos del nivelfreático

• Esta expuesta a problemas de crecimiento dealgas, erosión, obstrucción por vegetación ocontaminación superficial.



ii) Zanjas o trincheras



iii) Drenes

• Están compuestos por perforaciones horizontaleso excavaciones de zanja en cuyo interior seinstalan tuberías perforadas o ranuradas

• Los drenes se instalan en la zona húmeda delacuífero y se encuentran cubiertos con materialseleccionado para garantizar un adecuadorendimiento.

• Los diámetros son mayores a 200 mm, conpendientes que fluctúan entre uno y cinco por mil.



iii) Drenes• Dependiendo de la longitud de los drenes y del

número de ellos, se instalan buzones de reunión.



iv) Mixtas

• Resultan de combinaciones de galeríaspropiamente dichas y drenes con las captacionesverticales (pozos radiales)

• Son construidas cuando el nivel de las aguassubterráneas se encuentran a mucha profundidad

• Consisten de un pozo vertical hasta nivel freático,con emboquillados o bocas de entradaperpendiculares al flujo de agua subterránea.


CLASIFICACIÓN GALERIAS FILTRANTESB. Según características del acuífero

Se clasifican en:

i) Patrón de flujoii) Por régimen de escurrimiento

i) Los patrones de flujo pueden ser:

• Líneas de flujo horizontales con equipotencialesverticales.

• Líneas de flujo radiales con equipotencialescilíndricas o semicilíndricas.


CLASIFICACIÓN GALERIAS FILTRANTESB. Según características del acuíferoi) Patrones de flujo

Líneas de flujo horizontales con equipotenciales verticales característico de las galerías que comprometen todo el espesor del acuífero y está representado por las galerías tipo

trinchera, zanja o socavón (Figura extraída de OPS-CEPIS, 2002)


CLASIFICACIÓN GALERIAS FILTRANTESB. Según características del acuíferoi) Patrones de flujo

Líneas de flujo radiales y equipotenciales cilíndricas se presentan en acuíferos profundos con galerías superficiales del tipo dren (Figura extraída de OPS-CEPIS, 2002)



ii) Por régimen de escurrimiento

Pueden existir dos condiciones:

• De equilibrio

o Se produce la estabilización de la velocidad deescurrimiento

o Es indispensable que el caudal extraído de galería seamenor o igual al caudal suministrado por el acuífero

o Nivel de agua en el acuífero se abata hasta un puntofijo que permita el escurrimiento del caudal que seextrae.



ii) Por régimen de escurrimiento

• De desequilibrio

o No permiten la estabilización del escurrimiento

o Abatimiento o depresión aumenta con el tiempomientras que las velocidades disminuyen

o Propio de terrenos saturados con baja capacidadde recarga



De la combinación de los factores i) patrón de flujo; yii) régimen de escurrimiento, se pueden definir lassiguientes condiciones:

• Galerías que comprometen todo el espesor delacuífero bajo condiciones de: Equilibrio, oDesequilibrio

• Galerías superficiales bajo condiciones de:Equilibrio, o Desequilibrio

Las galerías para abastecimiento de agua deben serdiseñadas para trabajar bajo condición de equilibrio,presentamos algunos casos comunes:



a) Galerías que comprometen todo el espesor delacuífero

Galería que comprometen todo el espesor del acuífero y ubicada en acuífero con escurrimiento propio (Figura extraída de OPS-CEPIS, 2002)



a) Galerías que comprometen todo el espesor delacuífero

Galería que comprometen todo el espesor del acuífero y ubicada en acuífero con recarga superficial (Figura extraída de OPS-CEPIS, 2002)



b) Galerías que comprometen la parte superior delacuífero

Galería que comprometen parte la superior del acuífero y ubicada en acuífero con escurrimiento propio (Figura extraída de OPS-CEPIS, 2002)



b) Galerías que comprometen la parte superior delacuífero

Galería que comprometen parte la superior del acuífero y ubicada en acuífero con recarga superficial (Figura extraída de OPS-CEPIS, 2002)



c) Galerías en acuíferos con recarga superficial

Galería en acuíferos con recarga superficial y ubicado en acuífero de gran espesor (Figura extraída de OPS-CEPIS, 2002)



c) Galerías en acuíferos con recarga superficial

Galería en acuíferos con recarga superficial y ubicado en acuífero de poco espesor (Figura extraída de OPS-CEPIS, 2002)


DISEÑO HIDRAÚLICO DE GALERIAS FILTRANTESConsideraciones generales

• Diseño de galerias filtrantes basado en laexperiencia, normalmente sin un detalladoestudio hidrogeológico

• Necesidad de calcular por diferentes métodosvariando los parámetros dentro de un rangorazonable de magnitud

• Selección de resultados más probables yconfiables


DISEÑO HIDRAÚLICO DE GALERIAS FILTRANTESConsideraciones generales

• Disponibilidad de varios métodos de cálculounos deducidos a partir de la ecuación deDupuit-Forcheimer y otros identificados con elapellido del autor.

• Necesidad de identificar los parâmetros ofactores de mayor influencia.

• Para el uso de formulaciones matemáticas teneren cuenta las características del acuífero y delas características del dren.


DISEÑO HIDRAÚLICO DE GALERIAS FILTRANTESCaracterísticas de acuífero• Conductividad hidráulica o permeabilidad: kf [m/s]• Profundidad o espesor del acuífero: H [m]• Transmisividad (kf*H): T [m2/s]• Espesor dinámico del acuífero en el punto de

observación: Hb [m]• Espesor dinámico del acuífero en la galería: Hd [m]• Pendiente dinámica o gradiente del acuífero: i [m/m]• Porosidad efectiva: n [adimensional]• Radio de influencia del abatimiento: R [m]• Distancia entre la galería y el pozo de observación: L [m]• Distancia entre la galería y el punto de recarga: D [m]


DISEÑO HIDRAÚLICO DE GALERIAS FILTRANTESCaracterísticas físicas de la galería• Radio del dren: r [m]• Tiempo de extracción del agua de la galería: t [s]• Abatimiento del nivel freático a la altura de la galería: s

[m]• Mínimo tirante de agua encima del lecho del curso o

cuerpo de agua superficial: a [m]• Profundidad del estrato impermeable con respecto a la

ubicación del dren: b [m]• Profundidad de ubicación del dren con respecto al

fondo del curso o cuerpo de agua superficial: z [m]


DISEÑO HIDRAÚLICO DE GALERIAS FILTRANTESCaracterísticas físicas de la galería

• Carga de la columna de agua sobre el dren: pd [m]

Adicionalmente, se tiene el caudal de explotación de lagalería de filtración y que puede ser:

• Caudal unitario por longitud de dren: q [m3/s-m]

• Caudal unitario por área superficial: q’ [m3/s-m2]


DISEÑO HIDRAÚLICO DE GALERIAS FILTRANTESA. Galerías que comprometen todo el espesor delacuíferoi) Acuífero con escurrimiento propio y alimentado poruna cara

(Figura extraída de OPS-CEPIS,

2002)

Yo


DISEÑO HIDRAÚLICO DE GALERIAS FILTRANTESA. Galerías que comprometen todo el espesor delacuíferoi) Acuífero con escurrimiento propio y alimentado poruna cara

Caudal unitario:

Nivel dinámico a una distancia L:

Escurrimiento aguas debajo de la galería:

Siendo: qa = caudal unitario suministrado por el acuífero [m3/s-m]qb = caudal unitario extraído de la galería [m3/s-m]


DISEÑO HIDRAÚLICO DE GALERIAS FILTRANTESA. Galerías que comprometen todo el espesor delacuíferoii) Acuífero con escurrimiento propio y alimentado porambas caras

(Figura extraída de OPS-CEPIS, 2002)

Caudal unitario:

Caudal máximo:

Radio de influencia:

t: Tiempo de extracción del agua hasta el equilibrio


DISEÑO HIDRAÚLICO DE GALERIAS FILTRANTESA. Galerías que comprometen todo el espesor delacuíferoiii) Acuífero con recarga superficial


Caudal unitario:

Donde:

D: Distancia entre lagalería y el punto derecarga (m)


DISEÑO HIDRAÚLICO DE GALERIAS FILTRANTESB. Galerías que comprometen la parte superiordel acuíferoi) Acuífero con escurrimiento propio


2002)


DISEÑO HIDRAÚLICO DE GALERIAS FILTRANTESB. Galerías que comprometen la parte superiordel acuíferoi) Acuífero con escurrimiento propio

Caudal unitario y radio de influencia:

Ecuación general:


DISEÑO HIDRAÚLICO DE GALERIAS FILTRANTESB. Galerías que comprometen la parte superiordel acuíferoi) Acuífero con escurrimiento propio: Drenes paralelos



DISEÑO HIDRAÚLICO DE GALERIAS FILTRANTESB. Galerías que comprometen la parte superiordel acuíferoi) Acuífero con escurrimiento propio: Drenes paralelos

Ecuación de Hooghoudt (caudal unitario por áreasuperficial)

Además:

Siendo: d = Profundidad equivalente y Dd = Separación entre drenes (m)

Nota: Para relaciones de “Dd/Hd” menores a 3,18, la deducción de losvalores de Fh y Fr se debe calcular para una profundidad (Hd) igual a Dd/3,18


DISEÑO HIDRAÚLICO DE GALERIAS FILTRANTESB. Galerías que comprometen la parte superiordel acuíferoii) Acuífero con recarga superficial

(Figura extraída de OPS-CEPIS, 2002)Caudal unitario:


DISEÑO HIDRAÚLICO DE GALERIAS FILTRANTESC. Galerías en acuíferos con recarga superficiali) Galería en acuífero de gran espesor

(Figura extraída de OPS-CEPIS, 2002) Caudal unitario:

En la practica:


DISEÑO HIDRAÚLICO DE GALERIAS FILTRANTESC. Galerías en acuíferos con recarga superficialii) Galería en acuífero de poco espesor


Caudal unitario:

En la practica:


DISEÑO HIDRAÚLICO DE GALERIAS FILTRANTESConductividad hidráulica

(Tabla extraída de OPS-CEPIS, 2002)


DISEÑO HIDRAÚLICO DE GALERIAS FILTRANTESConsideraciones complementariasa) Emplazamiento de las galerías

• Lejos de fuentes de contaminación (descargasde PTAR, vertimientos comerciales, etc.)

• No estar expuesta al fenómeno de erosión(profundidad mínima mayor a la profundidad desocavación)

• Ubicación en dirección perpendicular al flujo deagua subterránea (paralela si existiese recargaconstante de uma fuente superficial)



• Emplazamiento en márgenes planas de loscursos y cuerpos de agua, con poca diferenciade elevación entre el nivel del agua y superior delterreno.

• La distancia mínima entre el emplazamiento dela galería y la zona de recarga debe ser de 15 m.

• En acuíferos muy delgados, colocar el dren en elfondo. Para acuíferos de espesor mediano,realizar análisis económico (excavación)


DISEÑO HIDRAÚLICO DE GALERIAS FILTRANTESConsideraciones complementariasb) Información básica

• Plano cartográfico de la zona.• Plano geológico y perfiles transversales.• Perfil estratigráfico.• Mapa de niveles de las aguas subterráneas y su

variación en el año hidrológico.• Parámetros hidrogeológicos determinados por

ensayos de bombeo.• Análisis físico-químico y bacteriológico del agua.


DISEÑO HIDRAÚLICO DE GALERIAS FILTRANTESConsideraciones complementariasc) Conducto colector

i. Diámetro:• Debe garantizar el esucrrimiento del caudal de

diseño con um tirante no mayor al 50%.

• En caso de tuberías, no deberá tener menos de200 mm para facilitar limpeza y mantenimientode los drenes.

• En casos de galerías muy largas, es posible usardistintos diámetros



i. Diámetro:


2002)



ii. Tipo de material• Tuberías de PVC, hierro fundido, hormigón simple

y armado, otros.iii. Velocidad

• La tubería del dren debe tener una pendienteadecuada que facilite su autolimpieza.

• La velocidad de escurrimiento del agua en el drendeber ser menor a 0.90 m/s (mínimo 0.60 m/s)



iii. Velocidad• La velocidade de autolimpieza requiere

pendientes que varíen de 1 a 5 por miliv. Área abierta

• Máxima velocidad de entrada permisible paraevitar arrastre de partículas finas entre 2.5 a 5.0cm/s (recomendable 3 cm/s)

• Utilizar un coeficiente de contracción de entradade orificio de 0.55.



iv. Área abierta• El área aberta por unidad de longitud de

conducto, será:

Donde:A = Área abierta por unidad de longitud del conducto (m2)Qu = Caudal de diseño de la galería por unidad de longitud (m3/s)Ve = Velocidad de entrada. (m/s)Cc = Coeficiente de contracción



v. Forma, tamaño y distribución aberturas• Las dimensiones de las perforaciones dependen

de la abertura y tamaño del conducto.

• La relación que debe existir entre la mayordimensión de la abertura y el tamaño de losgranos del filtro:



v. Forma, tamaño y distribución aberturas

• La relación de diâmetros entre el paquete o forrofiltrante y el material granular del acuífero:


DISEÑO HIDRAÚLICO DE GALERIAS FILTRANTESc) Conducto colector

(Figuras extraídas de OPS-CEPIS, 2002)


DISEÑO HIDRAÚLICO DE GALERIAS FILTRANTESConsideraciones complementariasd) Paquete o forro filtrante• Tiene como función principal, impedir que el

material fino del acuífero llegue al interior delconducto sin que sea afectada la velocidad defiltración.

• Debe ser mucho más permeable que la formacióndel acuífero.

• Es similar a la capa soporte de los filtros dearena, y pueden aplicarse las recomendacionesdel cuadro siguiente:


DISEÑO HIDRAÚLICO DE GALERIAS FILTRANTES

Consideraciones complementariasd) Paquete o forro filtrante

Granulometría del Paquete o forro filtrante (Tabla extraída de OPS-CEPIS, 2002)



Consideraciones complementariasd) Paquete filtrante

Distribución de capas concéntricas en el forro

filtrante. (Figura extraída de OPS-CEPIS, 2002)



Consideraciones complementariasd) Paquete filtrante

Proceso constructivo del pozo filtrante (Figura

extraída de OPS-CEPIS, 2002)


DISEÑO HIDRAÚLICO DE GALERIAS FILTRANTESConsideraciones complementariase) Sello impermeable• Consiste en sellar la parte superior del relleno de

la galería

• Utilizado en galerias ubicadas en las márgenesde los ríos y en los acuíferos con escurrimientopróprio.

• El sello se ejecuta con material impermeable paraevitar que el agua estancada se filtre hacia lagalería y pueda contaminar el agua captada.


DISEÑO HIDRAÚLICO DE GALERIAS FILTRANTESConsideraciones complementariase) Sello impermeable• Puede estar formado por una capa de arcilla de

unos 30 cm de espesor.

• Adicionalmente, la función del sello impermeablees aumentar la longitud de recorrido del aguasuperficial y así mejorar su calidad.

• Se puede complementar colocando en su parteinferior, papel impermeable o geomembrana.


DISEÑO HIDRAÚLICO DE GALERIAS FILTRANTESConsideraciones complementariase) Sello impermeable

Para evitar que el aguasuperficial se estanque:

• La capa impermeabledebe quedar a un nivelmás alto que el terrenocircundante

• La pendiente debe facilitarel drenaje del aguasuperficial lejos del dren



DISEÑO HIDRAÚLICO DE GALERIAS FILTRANTESConsideraciones complementariasf) Pozo colector y cámaras de inspección

(Figuras extraídas de OPS-CEPIS, 2002)


Ejemplo 9. Se ha diseñado una galería de filtración tipozanja en un acuífero con escurrimiento propio quecompromete todo su espesor. El largo de la galería [L] es de100m, la profundidad del acuífero [H] es de 8m y laconductividad hidráulica [kf] es de 0.0005m/s.Calcular:a) la máxima capacidad de producción de agua;b) la capacidad de captación de la galería si se produjera unabatimiento de la napa de agua [s] de 2m y la alimentaciónse realizará por ambas caras de la galería; yc) para condiciones similares a (b) pero con alimentación poruna sola cara de la galería. Mediante pruebas de bombeo seha determinado que la pendiente del acuífero [i] es de10.6%.

Galerías filtrantes: Diseño Hidráulico


Ejemplo 11. Calcular la máxima capacidad de producción deagua de una galería de filtración de 100m de largo quecompromete la parte superior de un acuífero conescurrimiento propio de 15m de profundidad y conductividadhidráulica (kf) de 0.0005m/s. Se estima que la pendiente delacuífero es de 11.2% y la galería está compuesta por undren de 200mm de diámetro ubicada 2m por debajo del nivelestático del acuífero.



Ejemplo 12. Calcular la máxima capacidad de producción deagua de una galería de filtración de 100m de largo ubicadoen el fondo de lago correspondiente a un acuífero profundode 25m con una conductividad hidráulica (kf) de 0.0005m/s.La galería está compuesta por un dren de 200mm dediámetro ubicada 2 m por debajo del lecho del lago y con untirante de agua es de 0.20m.


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