Trabajo Final de Drenaje

INGENIERIA DE POZOS INGENIERIA CIVIL

INDICE

1. GENERALIDADES:...................................................................................................................................3

1.1.- DEFINICIONES BASICAS:...................................................................................................................................3

2. UBICACIÓN DE LOS POZOS PROYECTADOS:............................................................................................5

2.1- INVENTARIO DE POZOS EXISTENTES:................................................................................................................5

2.2 GEOLOGÍA, GEOMORFOLOGÍA, GEOFÍSICA:......................................................................................................6

2.3.- PROSPECCIÓN GEOFÍSICA:...............................................................................................................................7

2.4.-HIDRODINÁMICA:.............................................................................................................................................9

2.5.-HIDROGEOQUÍMICA:......................................................................................................................................10

3. DISEÑO DE POZOS:...............................................................................................................................11

3.1.- DEFINICION:...................................................................................................................................................11

3.2.- OBJETIVOS DE LOS POZOS:............................................................................................................................11

3.3.- DISEÑO FISICO DE POZOS:....................................................................................................................13

3.3.1 DIÁMETRO Y LONGITUD DE LA ENTUBACIÓN CIEGA:.........................................................................14

3.3.2 DIÁMETRO Y PROFUNDIDAD DEL POZO A PERFORAR:........................................................................15

3.3.3 DISEÑO DE LA REJILLA:........................................................................................................................18

3.3.4 CARACTERÍSTICAS DE LA REJILLA:.......................................................................................................19

3.3.5 MATERIAL DE LA REJILLA:....................................................................................................................20

3.3.6 DIAMETRO DE LA REJILLA:...................................................................................................................23

3.3.7 LONGITUD DEL FILTRO (REJILLA):.......................................................................................................24

4. DISEÑO DEFINITIVO .............................................................................................................................26

4.1 POSICION DEL FILTRO O REJILLA:........................................................................................................26

4.2 NESECIDAD O NO DE PREFILTRO:........................................................................................................27

4.2.1.- ANALISIS GRANULOMETRICO :...........................................................................................................27

4.3.- TAMAÑO DE LA ABERTURA DE LA REJILLA :.................................................................................................31

5- DISEÑO HIDRAULICO:.......................................................................................................................................33

5.1.- PERDIDA DE CARGA EN LOS POZOS:............................................................................................................34

EJEMPLO DE APLICACION:....................................................................................................................................36

6.- EQUIPAMIENTO DE POZOS...........................................................................................................................37

4.1.1.- BOMBAS SUMERGIBLES:...........................................................................................................................38

7.- CASETA DE BOMBEO....................................................................................................................................39

71.- TUBERÍA Y ACCESORIOS DE SUCCIÓN:............................................................................................................40

7.2.- TUBERÍAS Y ACCESORIOS DE IMPULSIÓN:.....................................................................................................44

EJERCICIO DE APLICACIÓN.................................................................................................................................50

UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO 1


INTRODUCCION

En el presente trabajo conoceremos las características de un pozo, el diseño de

un pozo y caseta de bombeo utilizado para al aprovechamiento de aguas

subterráneas. A continuación, se presentan los diferentes métodos de análisis de

pozos en los diferentes tipos de acuíferos existentes. Una vez determinadas las

posibilidades de producción de agua subterránea en una determinada zona, el

siguiente proceso es determinar su adecuada explotación. Para una adecuada

producción de los pozos de explotación de los acuíferos fuente, es necesario

determinar el uso y así caracterizar de manera económica el beneficio de la

explotación del recurso.



1. GENERALIDADES:

1.1.- DEFINICIONES BASICAS:

a) POZO: Es una estructura hidráulica que provee económicamente agua, si esta ha sido bien diseñada y bien construida.

b) NIVEL ESTATICO: Es el Nivel del agua subterránea en un pozo cuando este no está sometido a bombeo Ej: 15 m.

c) NIVEL DINÁMICO: Es el Nivel del Agua en un pozo cuando se está bombeando. Ej. 18.0 m

d) ABATIMIENTO (S) : Es la diferencia entre los dos Niveles antes mencionados. Ej. 18 – 15 = 3 m

e) CONO DE DEPRESIÓN: Al producirse el descenso del nivel estático del pozo, se establece un gradiente hidráulico entre cualquier punto de la formación y el pozo, originándose un movimiento radial desde todas las direcciones hacia el pozo en una forma simétrica y



de tal manera que el caudal Q que se extrae del pozo es igual al caudal que pasa por cualquier sección del acuífero. A medida que la velocidad aumenta mayor será el gradiente hidráulico ya que aumenta la fricción existente entre el fluido y las partículas sólidas en contacto; es por eso que lo que se forma alrededor del pozo se le conoce como cono de depresión que sobre un plano vertical presenta una curva conocida con el nombre de curva de abatimiento. La forma, alcance y profundidad de este cono de depresión dependerá de las condiciones hidrogeológicas (transmisividad y coeficiente de almacenamiento del acuífero), del caudal y el tiempo de bombeo o inyección. En el acuífero confinado el cono de depresión es la representación de la variación de los niveles piezométricos en tanto que en el acuífero libre es además la forma real de la superficie piezométrica. ƒ

f) CAPACIDAD ESPECÍFICA: Es la relación que existe entre el caudal que se obtiene de un pozo y el abatimiento producido y se expresa en unidades de caudal por longitud, [L3/T/L]. Este valor es contante para acuíferos confinados y variables para los acuíferos libres; es un término que representa el grado de eficiencia de un pozo ya que de dos pozos perforados en una misma formación acuífera, el de menor capacidad específica tendrá menos eficiencia. El grado de eficiencia de un pozo lo determinaremos con base en la transmisividad y el coeficiente de almacenamiento de la formación acuífera, (con la cual podremos calcular un valor de la capacidad específica teórica) el valor de la capacidad específica real medida en el pozo.



2. UBICACIÓN DE LOS POZOS PROYECTADOS:

La mejor ubicación de un pozo tubular proyectado, se define con información del estudio hidrogeológico.

Los estudios hidrogeológicos permiten determinar las variables hidráulicas del manto de agua, definir su rendimiento y calidad y los caudales óptimos de captación. Por medio de los estudios hidrogeológicos pueden definirse también la dirección del flujo subterráneo, las áreas de mayor aptitud para la captación, el adecuado distanciamiento entre pozos y se establecen las situaciones anómalas que podrían interferir sobre el recurso hídrico. De ese modo se asegura la sustentabilidad del acuífero, tanto en rendimiento como en calidad.

¿Cuándo debe realizarse un estudio hidrogeológico?

• Cuando se requiere definir la factibilidad de un acuífero para explotación y determinar su sustentabilidad en función de la explotación.

• Cuando se desea ampliar la red de captación, definir los caudales de explotación en cada pozo y determinar el distanciamiento óptimo entre ellos.

El estudio hidrogeológico comprende los siguientes puntos:

2.1- INVENTARIO DE POZOS EXISTENTES:

Se evalúa así las variaciones del nivel de la napa freática y el grado de mineralización de las aguas subterráneas para ver sus variaciones y tomar las acciones técnicas que el caso amerite.

El objetivo del inventario es determinar la cantidad y situación actual de los pozos, cuyo resultado permitirá conocer la situación física y técnica de éstos así como también, cuantificar la masa de agua explotada del acuífero.



2.2 GEOLOGÍA, GEOMORFOLOGÍA, GEOFÍSICA:

En toda investigación hidrogeológica es importante tener conocimiento de la estructura geológica de la zona; en relación a la naturaleza de los materiales existentes y a la distribución de los mismos tanto permeable o impermeable, fallas y otros. Debido a que estas características condicionan el funcionamiento del complejo acuífero y el desplazamiento de las aguas subterráneas.

Identificándose en este punto del estudio algunas unidades hidrogeológicas como:

Afloramientos rocosos. Depósitos aluviales. Depósitos coluviales. Campos de dunas. Depósitos marinos recientes.

Vista donde se observa el lecho del río (con cobertura vegetal) y al fondo la terraza.

Vista donde se observa los depósitos marinos recientes (litoral marítimo).



2.3.- PROSPECCIÓN GEOFÍSICA:

La ejecución de los sondeos eléctricos verticales, está orientada a los siguientes objetivos:

Distinguir las capas del subsuelo, según sus resistividades eléctricas, indicando la granulometría predominante en cada una de ellas e inferir en forma aproximada, su grado de permeabilidad.

Determinar los espesores de las capas mencionadas. Estimar la profundidad del techo del basamento.

Ejecución de un estudio eléctrico vertical

La ejecución de un sondeo eléctrico vertical permite obtener una curva representativa de las variaciones físicas del subsuelo, que pueden ser interpretadas en función de sus características acuíferas estáticas, no es posible predecir condiciones hidrodinámicas, las mismas que sólo pueden ser resueltas con pozos exploratorios. La curva del sondeo vertical



es calculada para determinar los valores reales de resistividad para cada horizonte geoeléctrico atravesado por el campo de energía generado en la superficie.



2.4.-HIDRODINÁMICA:

En todo estudio hidrogeológico, la fase de la hidráulica subterránea es muy importante debido a que con su resultado se podrá determinar las características físicas y el funcionamiento del acuífero. Debemos indicar que dentro de la hidráulica subterránea, uno de sus componentes es la hidrodinámica, la cual estudia el funcionamiento del acuífero y el movimiento del agua en un medio poroso, es decir cuantifica la capacidad de almacenar y transmitir agua. En este sentido para determinar las características hidráulicas del acuífero se ha empleado la técnica de evaluación mediante las pruebas de bombeo, metodología empleada para evaluar el acuífero en condiciones casi naturales.

La prueba de bombeo consiste en observar los efectos provocados en la superficie freática o piezométrica del acuífero por la extracción de un caudal conocido.

Los efectos son registrados en el pozo de bombeo y en los piezómetros (pozos próximos). En el presente estudio las pruebas de bombeo tienen como objetivo calcular los parámetros hidráulicos:

Transitividad (T). Permeabilidad (K).



Coeficiente de Almacenamiento (s). cuyo análisis permitirá determinar las condiciones hidráulicas del acuífero.

2.5.-HIDROGEOQUÍMICA:

Todo estudio hidrogeológico debe incluir el capítulo de calidad del agua o hidrogeoquímica, cuya ejecución y posterior análisis permitirá conocer las características químicas actuales del agua almacenada en el acuífero, y la evolución que experimenta con relación a la concentración salina.

En ese sentido, la calidad de las aguas subterráneas depende de varios factores:

Litología de acuífero y velocidad de circulación. Calidad del agua de infiltración, relación con otras aguas o acuíferos y

leyes de movimiento de sustancias trasportadoras de agua.

LOCALIZACION DE POZOS PROYECTADOS



LA MEJOR UBICACIÓN PARA LA PERFORACIÓN DE POZOS PROYECTADO ES DEFINIDA POR INFORMACION DEL ESTUDIO HIDROGEOLOGICO

3. DISEÑO DE POZOS:

3.1.- DEFINICION:El diseño físico de los pozos tubulares o tajo abierto están sustentadas en el conocimiento de las características hidrodinámicas del acuífero sobre el cual se construirá un pozo que permita prever de agua en términos económicamente rentables. Por consiguiente la decisión de perforar un pozo estará sujeto a los resultados obtenido en el estudio hidrogeológico, prueba de pozo, análisis de las características del material encontrado durante la perforación, análisis de la calidad de agua y finalmente el caudal máximo permisible a explotarse mediante el pozo sin que altere la condiciones medioambientales del acuífero y de su entorno.

3.2.- OBJETIVOS DE LOS POZOS:

a) Abastecimiento sostenido de las demandas de agua y acorde con el potencial de acuífero.

b) Proveer agua libre de contaminantes y Sedimentos.

c) Reducido costos de operación y mantenimiento.



d) Facilidad de monitoreo del comportamiento.

La ingeniería de pozos comprende:

En ingeniería de pozo se han establecido dos fases de diseño de pozos:

Localización de pozos proyectados.

Diseño preliminar: Elaborado como conclusión del estudio hidrogeológico con fines de perforación De pozos.

I) Diseño físico II) Diseño Hidráulico

Diseño definitivo: Determinado luego de culminada la perforación y la zona geológica haya sido perfiliado.

I) Posición de rejillasII) Abertura de rejillasIII) Caseta de bombeo



3.3.- DISEÑO FISICO DE POZOS:

Los factores a tomarse en cuenta para el diseño físico de pozo son:

3.3.1 Diámetro y longitud de la entubación ciega

3.3.2 Diámetro y profundidad de la perforación

3.3.3 Diseño de la rejilla o filtro

3.3.4 Necesidad o no de prefiltro de grava. Diseño del mismo



3.3.1 DIÁMETRO Y LONGITUD DE LA ENTUBACIÓN CIEGA:

El entubado ciego o sección cubierta de pozo sirve para fortificar las paredes del pozo o

aislar agua indeseable que se encuentra en algunos acuíferos atravesados por

perforación .

El diámetro a diseñar incluye dos sectores: el sector superior que alojará a la bomba y el

sector inferior, por debajo del máximo nivel dinámico o nivel de bombeo o debajo de la

máxima longitud de la bomba. Es decir que el gasto necesario del pozo y su capacidad

específica más un cierto margen de seguridad por menor eficiencia del pozo, eventuales

interferencias, o bombeo continuo, definen la máxima profundidad de la bomba a

instalar.

Si se conoce el tiempo y características de la bomba a instalar puede entonces conocerse

el diámetro exterior del cuerpo de bomba o tazones. Luego, el diámetro mínimo interior

de la entubación pasa a dos pulgadas (2") adicionales y el diámetro máximo económico

de cuatro pulgadas (4") más que el diámetro exterior de los tazones.

Cuando no se ha definido previamente la marca de la bomba, debe operarse dentro de

ciertos límites ya conocidos para distintas bombas, a fin de permitir su instalación y

funcionamiento sin problemas.



En la Cuadro N.1, se muestra las relaciones entre diámetro de pozos y diámetros para

bombas de turbina vertical o de motor sumergido. (Se emplean medidas de diámetros en

pulgadas por ser las de uso más común en pozos y bombas).

DI = Diámetro Interno; DE = Diámetro Externo

En el sector de entubación por debajo del nivel dinámico máximo estimado puede

reducirse el diámetro, tanto de la entubación como del filtro (rejilla), pero teniendo en

cuenta que ello trae aparejado una cierta reducción de caudal para la misma depresión,

lo que significa mayor depresión para el mismo caudal.



3.3.2 DIÁMETRO DEL POZO A PERFORAR:

Para revestimiento con lodo de cemento en el sector superior, se acostumbra

incrementar como mínimo 50 mm (2") respecto del diámetro exterior del entubado

ciego. Para pozos que se utilizarán en el abastecimiento poblacional e industrial el

incremento es de 100 mm (4").



PROFUNDIDAD TOTAL DEL POZO A PERFORAR: depende del perfil litológico del

terreno (corte del terreno que permite la identificación de las diferentes

rocas o estratos constitutivos) en el lugar de emplazamiento. Si está

explotando un acuífero confinado o semiconfinado podrá alcanzar como

máximo la profundidad del piso de ese acuífero o comienzo del estrato



confinante inferior. Sin embargo en otras ocasiones se prefiere alcanzar una

profundidad menor a fin de no interesar el manto confinante inferior en

cercanías del cual existe en general una zona de transición entre el material

de mayor permeabilidad que conforma el acuífero y el de menor

permeabilidad del manto confinante. En otras ocasiones y como se verá al

tratar de la colocación del filtro, éste se coloca en una posición intermedia

dentro del acuífero a fin de aprovechar una zona de mejor permeabilidad, en

tal caso la perforación termina relativamente lejos del comienzo del manto

confinante.

3.3.3 DISEÑO DE LA REJILLA:

La rejilla es un elemento de importancia en el diseño de un pozo sus características

guardan una estrecha relación con los parámetros hidráulicos del acuífero. En los pozos

que captan agua de acuíferos no consolidados se requiere un filtro de características

variables a determinar que satisfaga los requerimientos de:



sirva como estructura soporte de la formación acuífera.

impida el paso de arena.

permita la circulación del agua hacia el pozo a baja velocidad y con la máxima

capacidad específica.

En los acuíferos consolidados, rocosos, el pozo perforado deja caras libres a las grietas,

por donde fluye el agua; no se requiere estructura filtrante.

3.3.4 CARACTERÍSTICAS DE LA REJILLA:

Un filtro o rejilla se define por las siguientes características técnicas:

Material De Fabricación Del Tubo

Dimensiones Del Tubo:



- diámetro

- longitud

Abertura De La Rejilla

- área libre

- tipo de abertura

- tamaño de abertura

Prefiltro De Grava

3.3.5 MATERIAL DE LA REJILLA:

El material de construcción de la rejilla o filtro debe seleccionarse según:

a) elementos químicos del agua;

b) resistencia requerida.



En Cuadros No.2 y 3 se muestran los materiales de rejillas y factores para la selección del

metal de la rejilla.

La resistencia puede requerirse por presión lateral de las paredes o presión vertical de la

columna de entubación. Esta última ocurre por malas prácticas de "clavar" la columna de

entubación en el fondo del pozo, en lugar de suspenderla.



El metal de la Rejilla esencialmente depende de:

i) Composición química del agua.

ii) Presencia de limos bacterianos.

iii) Necesidades de resistencia a la compresión por las paredes del acuífero al

bombear o por el peso de la otra tubería y esfuerzos de tracción al colocarlo o

extraerlo para mantenimiento.

El metal ha de ser resistente a agentes incrustantes, bacterias que atacan el hierro

y ácidos usados para limpieza y desinfección.

Además se debe tener en cuenta aspectos relacionados al desarrollo del pozo,

prefiriendo siempre un desarrollo natural a un artificial aspecto de protección

sanitaria del pozo, en cuanto a evitar su contaminación y considerar la

desinfección del mismo y aspectos relacionados al control y vigilancia o

supervisión de la obra de modo de cumplir una eficiente captación.

Los siguientes parámetros de calidad de agua indican condiciones de corrosión:

a) Acidez del agua pH < 7.0

b) Oxígeno Disuelto (DO) > 2 mg/l

c) Sulfuro de Hidrógeno (H2S) > 1 mg/l

d) Total de sólidos disueltos (TDS) > 100 mg/l

e) Dióxido de carbono (CO2) > 50 mg/l

f) Cloro (Cl) > 300 mg/l

g) Altas temperaturas incrementan la corrosión

Los siguientes parámetros de calidad de agua indican incrustación.



a) pH > 7.5

b) Dureza Carbonato > 300 mg/l

c) Manganeso > 1 mg/l más alto pH y alto DO

d) Fierro (Fe) > 2 mg/l

e) Deposición de arcilla y limo (si la velocidad del agua en el filtro es

alta).

3.3.6 DIAMETRO DE LA REJILLA:

Se presentan dos casos:

a) la bomba está ubicada sobre el filtro;

b) la bomba está ubicada dentro del filtro o dentro de una tubería que une una sección

superior del filtro.

Cuando la bomba no está contenida en el filtro el diámetro de éste depende de su

capacidad de admisión del caudal a bombear a una velocidad adecuada. La pérdida de

carga mínima eficiente se obtiene a una velocidad de entrada del agua menor o igual a 3

cm/s (Johnson).

Si la velocidad v es mayor a 3 cm/s debe aumentarse el diámetro y/o la

longitud del filtro.

Si la velocidad v es mucho menor que 3 cm/s puede analizarse el diámetro y

longitud del filtro con criterio económico.

El área útil por metro de rejilla (filtro) se obtiene de los manuales que proporcionan los

fabricantes.Cuando la bomba debe estar contenida o pasa un tramo de filtro se

dimensiona el diámetro según el Cuadro No. 1.



3.3.7 LONGITUD DE LA REJILLA O FILTRO:

Comprende la selección de longitud, diámetro, tamaño de abertura y consideraciones

acerca del metal a utilizar.

La longitud de la rejilla es determinada por el espesor del acuífero, estratificación y

posible descenso dinámico del nivel del agua. En principio la rejilla debe tener el mayor

largo posible. En acuíferos libres homogéneo de gran espesor la longitud de la rejilla será

de 1/2 a 1/3 del espesor, colocada a partir de la base impermeable. En acuíferos

homogéneos confinados la longitud de la rejilla debe ser del 70% al 80% del espesor del

acuífero colocándose en posición centrada. En acuífero estratificado la rejilla estará

colocada frente a los estratos más permeables. La longitud óptima de la rejilla se estima.

Según:



Q = caudal en m3/s

Vp = velocidad óptima de entrada m/s

Ao = área abierta en m2/m de longitud de rejilla

Según Johnson la vp = 3 cm/s. Walton establece el criterio de velocidad óptima permisible

según la permeabilidad, el área abierta efectiva la considera como 50% del área abierta:

Ao = 0.5; donde A el área abierta que proporcionan los fabricantes.

El diámetro del filtro puede ser seleccionado para satisfacer un diseño en principio a fin de proveer un área abierta suficiente que mantenga una velocidad de entrada deseada a través del filtro.

4. DISEÑO DEFINITIVO

4.1 POSICION DEL FILTRO (REJILLA):


L= QA0 V p

…(8−2)


La ubicación y longitud óptima del filtro o rejilla se decide en relación con el espesor del

acuífero, abatimiento estimado y estratificación del acuífero. En Cuadro No.4 y Fig No. 1,

se esquematizan las reglas aconsejables.

En un acuífero libre se obtiene el mayor rendimiento y la instalación más económica de

un filtro para el tercio inferior del acuífero.

En acuíferos heterogéneos, confinados o libres, cuando el estrato menos permeable está

superpuesto al más permeable, conviene prolongar el filtro de menor abertura dentro

del acuífero más permeable para evitar producción de arena por corrimiento del estrato

de menor granulometría

En acuíferos confinados homogéneos de poco espesor se puede ubicar un filtro en

Forma centrada que cubra el 50 al 80 % del espesor del acuífero para este caso se

obtiene el mayor rendimiento hidráulico y económico. En acuíferos de mayor espesor se

requiere mayor porcentaje de penetración. Si la longitud del filtro no cubre todo el

espesor del acuífero se aconseja distribuirlo en la forma indicada en la Fig N°-2, para

obtener el máximo de capacidad específica del pozo.



4.2NECESIDAD O NO DE PREFILTRO:

El diseño del pre-filtro de grava se establece sobre la base de la información

granulométrica de los materiales recopilados durante la perforación. Es necesario en

consecuencia tener el análisis granulométrico de la formación acuífera y de otros

estratos atravesados en la perforación para decidir la necesidad de colocación de pre-

filtro de grava o empaque de grava, se recomienda su uso en los casos siguientes:

4.2.1 ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO:

El análisis granulométrico y distribución del tamaño de granos de los materiales

atravesados durante la fase de perforación, son esencialmente para identificar el

material acuífero y poder diseñar el material que se debe de colocar en el

derredor del pozo (pre-filtro).

Durante el análisis granulométrico, una muestra de acuífero se hace pasar a

través de un conjunto de mallas ordenadas con aberturas de mayor a menor

tamaño.



CURVA DE DISTRIBUCIÓN DE TAMAÑO DE GRANOS

Para establecer la curva de distribución de tamaños de granos se elabora un gráfico del

porcentaje más fino (por ciento acumulado que pasa) vs diámetros. Una forma resumida

para establecer el gráfico se presenta en el cuadro siguiente:

La curva granulométrica se usa para determinar los diámetros efectivos y promedio del

material de acuífero.

El diámetro característico de un material tal que el 10% es más fino y el 90% es más

grueso con respecto al peso total de la muestra es denominado como diámetro de Hazen

y es denotado por D10. Usando D10 y D60 se determina el coeficiente de uniformidad,

ecuación (8-1).

El diámetro efectivo a menudo, es utilizado para determinar la permeabilidad. Un suelo

bien graduado tiene un coeficiente de uniformidad bajo; un suelo con coeficiente de


Cu=D60

D10…(8−1)


uniformidad menor que 2 es considerado uniforme; no uniforme entre 2 y 4 y altamente

no uniforme mayor que 4.

Valores característicos de diámetros de granos como D10, D50, D60, D85 son usados para el

diseño de filtros granulares con varios propósitos.

Para decidir la necesidad de colocación de prefiltro de grava o empaque de grava, se

recomienda su uso en los casos siguientes:

1). Acuífero de arenas finas y tamaño de grano uniforme

2). Formaciones muy estratificadas con capas alternadas

3). Acuíferos de aguas muy incrustantes

Se considera que hay necesidad de prefiltro cuando:

1) Los materiales tienen Cu < 3 y D10 0.25 mm.

2) D10 2.5 y Cu 2.5, no hay necesidad de prefiltro si:

D10 < 2.5 y Cu 5 ,

D10 2.5 y Cu > 2.5

CLASIFICACIÓN DE MATERIALES

Es difícil clasificar o describir el material acuífero con una sola palabra en tanto el acuífero está

conformado por una mezcla de diferentes tamaños de partículas.Un medio poroso compuesto

enteramente por casi la totalidad de partículas de un mismo tamaño es denominado Material

Uniforme. Si los granos son de diferente tamaño el medio poroso se dice bien graduado.Rangos

para la clasificación de materiales han sido establecidos por organismos tecnológicos intentando

clasificar al medio poroso.



Es necesario en consecuencia tener el análisis granulométrico de la formación acuífera y

de otros estratos atravesados durante la perforación.

4.2 TAMAÑO DE ABERTURA DE LA REJILLA

En pozos con desarrollo natural el tamaño de la abertura del filtro (slot) está basado en la curva de distribución de tamaño de diámetro. El diseño de la abertura de filtro en pozos con paquete de grava filtrante se hace concordante con la granulometría mínima del pre-filtro.

a) Acuíferos de grano uniforme, 3 < Cu 6

i) Si hay posibilidad de derrumbe del material utilizar como tamaño de abertura D40.



ii) En caso de no haber posibilidad de derrumbe utilizar D60.

b) Acuíferos de grano no uniforme Cu > 6

i) Con posibilidad de derrumbe utilizar D50

ii) Sin posibilidad de derrumbe utilizar D70

c) Acuíferos estratificados

i) Si D50 material grueso 4 D50 material fino, sacar el cálculo para el material más fino y poner una sola rejilla.

ii) Si no se cumple condición anterior diseñar una rejilla para cada estrato del cual se desea sacar agua.



ESQUEMA DE DISEÑO DIFINITIVO DE UN POZO



5 - DISEÑO HIDRAULICO:

Estimación de nivel dinámico, se realiza con ecuación:

ND = s + NE = h + per + NE

Dónde:

h = (0,183Q/T)log(2,25Tt/rp²S)

per = BQ²

NE = Nivel estático (m);

ND = Nivel dinámico (m);

Q = Caudal de bombeo (m3/s);

T = Transmisividad (m²/s);

S = Coeficiente de almacenamiento (adimensional);

t = Tiempo de bombeo (s);

rp = Radio de pozo (m);

B = Coeficiente de Walton, pérdidas de carga al ingresar agua al interior del pozo (s2/m5)



5.1 .- PERDIDA DE CARGA EN LOS POZOS: Función de Perdida de Carga Total en los Pozos

s = Abatimiento en el pozo de bombeo (m)

BQ = Abatimiento debido a formación (m)

CQn = Abatimiento debido a pérdidas de carga en el pozo(m).

n = Exponente de flujo

sf = Abatimiento por formación

si = Abatimiento por interferencia

sb = Abatimiento por efecto de borde

spp = Abatimiento por penetración parcial

sd = Abatimiento por desagüe solo para acuífero libres

ESQUEMA GENERAL DE PÉRDIDAS DE CARGA EN UN POZO, EQUIVALENTES AL DESCENSO O ABATIMIENTO



5.2 EJEMPLO DE DISEÑO HDIRAULICO:

1.- Pérdidas de Carga Total

s= AQ + BQ^2;

Para Q = 25 l/s

s= 1076 Q+ 133932Q^2.

s= 1076 *0.025+133932*0.025^2.47 = 41.68 m Componentes de la pérdida de Carga:



•En el Acuífero = 1076*0.025=26.9 m

•En el Pozo = 133932*0.025^2.47 = 14.78 m

2.- Eficiencia del pozo:

BQ/s = 26.9 m /41.68= 64.53%

3.-Nivel Dinámico bajo la Superficie Nivel Estático = 11.50 m

4.- Abatimiento regional en 10 años = 2.0 m

5.- Pérdida de Carga Total = 41.68 m

6.- Nivel Dinámico = 11.50 m + 2.0 m + 41.68 m = 55.18 m



6. EQUIPAMIENTO DE POZOS

PERFIL ESQUEMATICO DEL POZO, MOSTRANDO LA UBICACIÓN DE LA TUBERIA PARA EL LLENADO DE GRAVA



6.1.- TIPOS DE BOMBAS: Las bombas más frecuentemente usadas en el abastecimiento de agua son las bombas centrifugas, horizontales y verticales, y las bombas sumergibles. El proyectista de acuerdo a las características del proyecto, seleccionará el tipo de bomba más adecuada a las necesidades del mismo.

6.1.1.- BOMBAS SUMERGIBLES: Son equipos que tienen la bomba y motor acoplados en forma compacta, de modo que ambos funcionan sumergidos en el punto de captación; se emplean casi exclusivamente en pozos muy profundos, donde tienen ventajas frente al uso de bombas de eje vertical. Estas bombas tienen la desventaja de poseer eficiencia relativamente bajas, por lo cual, aun cuando su costo puede ser relativamente bajo, el costo de operación es elevado por su alto consumo de energía.



7. CASETA DE BOMBEO

El dimensionamiento de la caseta de bombeo debe ser adecuado para albergar el total de los equipos necesarios para la elevación del agua. Cuando fuese necesario, la caseta albergará los dispositivos de maniobra y desinfección. Debe permitir facilidad de movimientos, mantenimiento, montaje, desmontaje, entrada y salida de los equipos.

El dimensionamiento de la caseta dependerá del tipo de bomba que se emplee. Los casos más comunes son:

Cuando se emplean bombas estacionarias de eje horizontal y de eje vertical: estarán albergadas en la caseta de bombeo, junto con los motores, generadores, tableros, circuitos y válvulas de accionamiento necesarias.

Cuando se empleen bombas sumergibles: la caseta de bombeo servirá para alojar los circuitos y tablero de control, eventualmente el generador y válvulas de accionamiento de la línea de impulsión.

Las dimensiones de la sala de bombas deben permitir igualmente facilidad de movimiento, mantenimiento, montaje, desmontaje, entrada y salida de los equipamientos y además abrigar, cuando fuere el caso, los dispositivos de servicio para maniobra y movilización de las unidades instaladas. Se debe considerar:

El espacio libre para la circulación en tomo a cada bomba, debe preverse de preferencia con un valor mayor a 1,50 m pero no menor a 1,0 m. En el caso de bombas de escurrimiento axial, la distancia mínima es de tres diámetros de la bomba.

Todos los accesos a la sala de bombas deben situarse a un mínimo de 1,0 m por encima de nivel máximo del pozo de succión, si fuera el caso.

Cuando la sobre elevación del piso de la sala de bombas fuera menor que 1,0 m con relación al nivel máximo de agua en el pozo de succión, el asentamiento de la misma debe ser hecho como para una instalación sujeta a inundación.

En el caso que el piso de la sala de bombas se localizase por debajo del nivel máximo de agua en el pozo de succión, deben ser previstas bombas de drenaje.

La superficie de la sala de bombas deberá ser establecida tomando en cuenta el tamaño del pozo de succión, y las dimensiones complementarias deben ser estudiadas a fin de posibilitar una buena distribución, minimizando la construcción civil.



La disposición de los grupos moto-bombas, siendo éstas del tipo horizontal, debe obedecer, tanto como sea posible, las disposiciones en zig-zag o en diagonal.

DISPOSICIÓN DE BOMBAS CENTRÍFUGAS DE EJE HORIZONTAL EN UNA CISTERNA DE BOMBEO

7.1.- TUBERÍA Y ACCESORIOS DE SUCCIÓN:

La tubería de succión debe ser la más corta posible, evitándose al máximo, piezas especiales como curvas, codos, etc. La tubería de succión debe ser siempre ascendente hasta alcanzar la bomba. Se pueden admitir pequeños tramos perfectamente horizontales.

La altura máxima de succión más las pérdidas de carga, debe satisfacerlas especificaciones establecidas por el fabricante de las bombas. Teóricamente, la altura de succión máxima sería de 10,33 m a nivel del mar (una atmósfera), sin embargo, en la práctica es muy raro alcanzar 7,50 m. Para la mayoría de las bombas centrífugas la altura de succión debe ser inferior a 5 m. (Los fabricantes generalmente especifican, las condiciones de funcionamiento, para evitar la aparición de fenómenos de cavitación. Para cada tipo de bomba debe ser verificada la altura máxima de succión). En la tabla 4 se especifica las alturas máximas permisibles de succión en función de la presión atmosférica:

El diámetro de la entrada de la bomba no debe ser tomado como indicación para el diámetro de la tubería de succión. Para la tubería se adoptan diámetros mayores con el objeto de reducir



las pérdidas de carga. El diámetro de la tubería de succión debe ser tal que la velocidad en su interior no supere los valores especificados en la tabla 5.

La pérdida de carga por fricción a lo largo de la tubería de succión puede calcularse mediante la fórmula de Hanzen – Wlliams:

DONDE:

V = Velocidad media, m/s.D = Diámetro, m.Sf = Pérdida de carga unitaria, m/m.C = Coeficiente que depende de la naturaleza de la paredes de los tubos|1(material y estado).

Los valores más empleados del coeficiente de pérdida de carga se muestran en la tabla 6.Para el cálculo de las pérdidas de carga localizadas en la tubería de succión o impulsión se puede utilizar la siguiente ecuación:



1

DONDE:

hf = Pérdida de carga, m.

K = Coeficiente de pérdida de carga singular adimensional.

V = Velocidad media en la sección, m/s.

g = Aceleración de la gravedad, m/s2.

Para piezas o accesorios comunes, se utilizarán los coeficientes de pérdida de carga especificadas en la tabla 7:

El diámetro interno de la tubería de succión puede calcularse con la siguiente expresión:

DONDE:

d = Diámetro interno de la tubería de succión, m.Q = Caudal de bombeo, m3/s.V = Velocidad media de succión, m/s.

Otros aspectos que deben tomarse en consideración en el diseño y cálculo de tubería de succión son los siguientes:

- En la extremidad de la tubería de succión debe ser instalada una rejilla, con un área libre de los orificios de la criba de 2 a 4 veces la sección de la tubería de succión.

- En el caso de que no se disponga de otro medio de cebar la bomba, deberá ser prevista la utilización de válvula de pie en la extremidad de la tubería de succión.



- Cuando el diámetro de la tubería de succión es mayor que el de admisión de la bomba, la conexión debe realizarse por medio de una reducción excéntrica con su parte superior horizontal a fin de evitar la formación de bolsas de aire.

- En tuberías de succión verticales, las reducciones serán concéntricas.

- La tubería de succión generalmente tiene un diámetro comercial inmediatamente superior al de la tubería de descarga.

- En una tubería de succión con presión positiva debe instalarse una válvula de compuerta.

- En una tubería de succión que no trabaje con presión positiva debe instalarse una válvula de retención en su extremo inferior para evitar el cebado.

- Siempre que las diversas bombas tuvieran sus tuberías de succión conectadas a una tubería única (de mayor diámetro), las conexiones deberán ser hechas por medio de Y (uniones), evitándose el empleo de Tes.

- No deben ser instaladas curvas horizontales, codos o tes junto a la entrada de las bombas.

TABLA 6. VALORES DEL COEFICIENTE C DEHAZEN-WILLIAMS.

Material CAcero galvanizado 125Acero soldado, tubos nuevos. 130Acero soldado, tubos en uso. 90Fierro fundido, nuevos 130Fierro fundido, después de 15 o 20 años

100

Fierro fundido, gastados 90PVC 140Concreto, con buena terminación 130Concreto, con terminación común. 120

FUENTE: MANUAL DE HIDRÁULICA, AZEVEDO NETTO.



TABLA 7. VALORES APROXIMADOS DE K (PÉRDIDAS DE CARGA LOCALES).

Pieza o accesorio KCompuerta abierta 1Codo 90º 0.90Codo 45º 0.40Curva de 90º 0.40Curva de 45º 0.20Curva de 22.30º 0.10Rejilla 0.75Boquillas 2.75Válvula de angula abierta 5.00Válvula de compuerta abierta 0.20Válvula tipo globo abierta 10.0Salida de tubo 1.00Entrada normal de tubo 0.50Entrada de borda 1.00Válvula de pie 1.75Válvula de retención 2.50Ampliación gradual 0.30*Reducción gradual 0.15*

7.2.- TUBERÍAS Y ACCESORIOS DE IMPULSIÓN:El diámetro de la tubería de impulsión deberá ser determinado en base a un análisis técnico económico; teóricamente puede asumir cualquier valor; sin embargo, existe un valor para el cual cumple los criterios mencionados.

El análisis debe considerar que si el diámetro adoptado es grande, la pérdida de carga en la tubería será pequeña y por tanto la potencia de la bomba será reducida; consecuentemente el costo de la bomba será reducido, pero el de la tubería de impulsión será elevado. El análisis inverso también es valedero, es decir, si adoptamos un diámetro pequeño, al final, el costo de la tubería de impulsión será reducido y el de la bomba será elevado.

El cálculo de la tubería de impulsión para sistemas que trabajan continuamente se puede calcular empleado la fórmula de Bresse:



Dónde:

D = Diámetro económico, m.

K = Coeficiente entre 0.9-4.0.

Q = Caudal de bombeo, m3/s.

De acuerdo a esta fórmula la medición de una línea de impulsión se hace básicamente por imposiciones económicas, por tanto, el valor del coeficiente K es consecuencia del precio de la energía eléctrica, de los materiales y de las máquinas empleadas en las instalaciones, variando por esto con el tiempo y con la región considerada.

Tratándose de instalaciones pequeñas, como son las que existen en el área rural, la fórmula de Bresse puede llevar a un diámetro aceptable. Para el caso de grandes instalaciones, dará una primera aproximación y es conveniente un análisis económico, en el cual sean investigados los diámetros más próximos inferiores y superiores.

Para estaciones que no son operadas las 24 horas del día, el diámetro económico viene dado por la siguiente expresión:

En el diseño y cálculo de tuberías de impulsión, además, se deben tomar en cuenta los siguientes aspectos:

- Dotar al sistema de los dispositivos que aseguren los riesgos debido al fenómeno del golpe de ariete.

- A la salida de la bomba debe proyectarse una válvula de retención y una de compuerta. Asimismo, debe considerarse la instalación de uniones flexibles para mitigar los efectos de vibración.

- En todo cambio de dirección debe considerarse elementos de anclaje y sujeción.

- El diámetro de las tuberías largas, debe ser calculado con velocidades relativamente bajas, generalmente entre 0,65 a 1,50 m/s.

- El diámetro de la tubería de impulsión, para distancias cortas, debe calcularse para velocidades mayores, que esté entre 1,50 a 2,00 m/s.



La tubería de impulsión no debe ser diseñada con cambios bruscos de dirección de flujo. Deben instalarse los dispositivos necesarios para evitar el contra flujo del agua, cuando la bomba deja de trabajar o en caso de que exista falla eléctrica.

ESQUEMA TIPICO DE UNA ESTACIÓN DE BOMBEO



EJERCICIO DE APLICACIÓNEJERCICO 01.-

- Acuífero confinado- Con presencia de barrera impermeable lateral a 350 m.- Presencia de pozo interferente de bombeo a 300 m. Q = 30 l/s- Tiempo de bombeo = 18 h/día- Pozo de Q = 40 l/s y período de operación 20 h/día

/│ db = 350 m. Q=40 l/s di=300 m. Qi = 30 l/s

/│---------------------------------------O--------------------------------------O

/│ Pozo-1 Pozo-2

- Litología:

0 - 25 m. arcilla

25 - 35 m. arena fina

35 - 45 m. arena media

45 - 50 m. arcilla

- Análisis granulométrico:

Material D10 D40 D50 D60 Cu

Arena Fina

Arena Media

0.10

0.18

0.22

0.34

0.24

0.38

0.25

0.44

2.5

2.44

Di (mm)= diámetro



- Datos:

T = 5 x 10-3 m2/s

S = 10-3

Q = 40 l/s

Qi = 30 l/s

C = 1000 seg2/m5

NE (piez) = 3.00 de prof.

rp = 0.152 m.

t = 20 hr = 72,000 seg.

ti = 18 hr = 64,800 seg.

SOLUCION

- DISEÑO HIDRAULICO :

ST = Sf + Si + Sb - Sr + Spp + Sd + Sperf.

S f=0 . 183 Q

Tlog 2. 25Tt

τ p2 S

=0 . 183 x 40 x 10-3

5 x 10-3 log 2 . 25 x 5 x 10-3 x 72x 103

(0 . 152 )2 x 10-3

S f =11.05 m

Sb=0 .183 Q

Tlog 2. 25Tt

( 2d )2 S=0 .183 x 40 x 10-3

5 x 10-3 log 2. 25 x 5x 10-3 x 72x 103

(700 )2 x 10-3

Sb =0. 32 m

Si=0. 183 Qi

Tlog

2. 25T t i

d12 S

= 0.183x 30 x 10-3

5 x 10-3 log 2 . 25 x 5x 10 -3 x 64 . 8x 103

( 300 )2 x 10-3

S i=1 . 0 m



Sper=Q2=103 x ( 40 x 10-3 )2=1 . 60m

ST =11. 05 + 1 . 0 + 0 . 32 + 1 .60

ST =14 . 0m

- DISEÑO FISICO :

a) Diámetro de rejilla:

- según Cuadro 8-1 para Q=40 l/s se recomienda un diámetro =12"

b) Necesidad de prefiltro:

- arena fina: Cu=2.5 y D10=0.10 mm ----> REQUIERE PREFILTRO

- arena media: Cu=2.44 y D10=0.18 mm ----> REQUIERE PREFILTRO

Una sola abertura de rejilla o dos:

Por tanto se requiere una sola rejilla y se trabaja con material más fino.

Granulometría de prefiltro según criterio de WALTON

Dxpf = 5 Dxac

D10 D40 D50 D60 Cu

0.5 1.1 1.2 1.25 2.5

c) Tamaño de abertura de rejilla:

- de granulometría de prefiltro se utiliza D10

D10 pf = 5 D10 ac = 0.5 mm ----> 0.020"


D50(media )D 50( fina)

=0. 380. 24

=1 . 8 < 4


Del cuadro 9.1 se deduce - rejilla N 20 EVERDUR que para 12" ----> = 77 pul2/pie =

1629.8 cm2/m

d) Longitud de rejilla:

e) Ubicación del filtro:

- se consideran dos tramos: 8.5 y 8.0 m. separados por 2.0 m. de tubo ciego.

- espesor de acuífero 20 m. --->1.0 m. fondo (trampa),

0.5 m. por debajo de techo de acuífero

f) Diámetro y longitud de tubo ciego:

= 12"

L = 0.3 por sobre el terreno

25.5 desde el terreno y 0.5 m. por debajo del techo del acuífero

2.0 entre filtros

1.0 trampa de arena

--------------------------

Total 28.8 m.

g) Espesor prefiltro: 4"

h) Diámetro y profundidad de perforación:

= 12" + 8" = 20"

Profundidad: captar totalidad de capa acuífera: 45 m.


L=1000 QAeV p

=1000 x 40814 . 9 x 3

=16 . 36=16 . 5 m

Trabajo Final de Drenaje

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