DISEÑO DE GALERIA FILTRANTE - 06 DE JUNIO 2013

7/28/2019 DISEO DE GALERIA FILTRANTE - 06 DE JUNIO 2013

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[DISEO DE UNA GALERIA FILTRANTE CON TUBERIA COLECTORA] 5 de junio de 2013

TEMARIO

1.Introduccin2.Consideraciones Generales3.Objetivos4.Enunciado5.Diseo

a.Memoria de Clculo6.Planos

a.Croquis en planta de la ubicacin de la galerafiltrante

b.Corte transversal de la zanja y la instalacin de latubera perforada.

c.Esquema de la tubera perforadad.Detalle de la cmara de recoleccin de agua


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Alvaro R. Carrillo Cuba 2

1. INTRODUCCION.-

Una galera filtrante es un conducto perforado construido en profundidad en ellecho permanente de un ro. Las galeras se disean para captar el flujo

subsuperficial que escurre a travs del material permeable del ro, oadicionalmente el flujo superficial. Las galeras pueden descargar su flujo ya seapor gravedad o por bombeo.

Las galeras son uno de los dos mtodos ms frecuentes usados para captar el flujode los lechos de los ros. El otro es el de los azudes o tomas directas. La descargapuede ser por gravedad, a niveles ms bajos que la galera, aunque para esto senecesita recorrer una cierta distancia hasta salir a la superficie. Otra forma es porbombeo desde una cmara situada a un extremo de la galera.

2. CONSIDERACIONES GENERALES.-

El uso de galeras filtrantes es adecuado en los siguientes casos:

a) Cuando una toma superficial no es confiable.b) Cuando la construccin de una galera podra ser la forma ms barata de captar

el flujo temporal subsuperficial o superficial.c) Cuando no es posible fundar la presa derivadora en material impermeable, lo

que puede causar prdidas de agua.

Una alternativa a las galeras es el tajamar, que puede ser considerado como unapresa subterrnea. Adems tiene la ventaja de proveer algn almacenamiento,

aunque pequeo. El diseo de presas derivadoras es bastante conocido. El diseode las galeras es lo menos. Las investigaciones en el sitio requieren determinar lascondiciones del suelo y la disponibilidad de agua, lo cual es caro, consumetiempo y no da resultados exactos. Adems las propiedades de los lechos de losros son altamente variables y no pueden ser descritas exactamente .A pesar de lasprecauciones que se tomen en la estimacin de los parmetros de diseo, erroresdel orden del 10 al 30 % pueden ocurrir fcilmente. An bajo las circunstancias msfavorables, se deben esperar como mnimo desviaciones del 5 %. Por un lado estosignifica que se debe tomar el mximo cuidado en las investigacioneshidrogeolgicas preliminares, pero por otro, no se requiere gran exactitud en losclculos y en muchos casos un mtodo complicado puede ser reemplazado poruno simple, menos exacto, sin afectar materialmente la influencia de los resultados.

2.1. Captacin de aguas subterrneas.-

Las obras ms utilizadas para captacin de aguas subterrneas, son lassiguientes:

1). Manantiales.2). Galeras filtrantes.


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3). Pozos someros.4). Pozos profundos.

2.2. Condiciones para establecer una galera filtrante

Este tipo de obras de derivacin se establecen en sitios favorables para recibir la recargade los ros y lagos y para facilitar el desplazamiento del agua. Los cuales corresponden alas zonas de depsitos aluviales con niveles piezomtricos prximos a la superficie y de altaporosidad efectiva.Los lugares ms convenientes para la construccin de galeras de filtracin -con el fin deevitar grandes excavaciones- son las mrgenes planas de los cursos y cuerpos de agua. Sedebe buscar que el material que forma la zona de captacin, en el lecho del ro, tengauna granulometra que haga trabajar la galera como un filtro lento.Para minimizar la contaminacin de las aguas captadas por la galera, es recomendableubicarla lo ms alejada posible de las fuentes de contaminacin tales como: lagunas deestabilizacin, filtros percoladores, letrinas, descargas industriales, etc. Asimismo, porcuestiones de seguridad, el lugar seleccionado para la construccin de la galera defiltracin no debe encontrarse expuesto a la accin erosiva de la corriente del agua encurso; ya que pondra en peligro al dren colector, adelgazando el espesor de la capa delsuelo que la protege, as como la calidad del agua extrada por falta de un espesormnimo para que la cubierta de suelo protectora funcione como filtro. Esto ltimo es muyimportante, porque casi siempre la ribera de los ros est formada por gravas, arenas ylimos no consolidados que ofrecen muy poca resistencia a la erosin.En cuanto a la distancia que debe existir entre la galera y la fuente de recarga superficial,puede considerarse como distancia mnima la que pueda recorrer la contaminacinbacteriana presente en el ro o lago. Normalmente, se utiliza la recomendacin de laOrganizacin Mundial de la Salud (OMS), con respecto a la distancia que debe existir

entre una letrina y una fuente de agua subterrnea, que es no menor a 15 metros.La seleccin entre una galera que comprometa todo el espesor de un acufero o que sloaproveche la parte superior del mismo, depende: del espesor del acufero, de lapermeabilidad del suelo, del equipo disponible para hacer la excavacin, de lascondiciones naturales del rea disponible y, sobre todo, de la demanda de agua.En el caso de un acufero muy delgado, lo ms acertado sera colocar el dren en el fondo,de manera tal que se pueda extraer todo el caudal que escurre por l. En el caso deacuferos de mediano espesor, vale la pena analizar si es ms econmico efectuar unaexcavacin que comprometa todo el espesor del acufero o solamente la parte superior,lo que conducir a obtener un menor rendimiento por unidad de longitud de galera.

2.3. GALERAS

Las galeras que comprometen la parte superior del acufero, consideran que la ubicacindel dren (por debajo del nivel natural de la napa de agua), en relacin con el espesor delacufero, es pequea. Es decir, la relacin profundidad al estrato impermeable (b) contrala profundidad al dren (z) es mayor a 10:


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Las ecuaciones para los acuferos con escurrimiento propio y con recarga superficial,aplicadas en el presente caso, son:

- Acufero con escurrimiento propio: La ecuacin general para la obtencin delgasto que gobierna este tipo de galera se menciona a continuacin (Figura 1):

1. El largo de la galera, la profundidad, la conductividad hidrulica (Kf), la pendiente delacufero (i) y el abatimiento de la napa de agua a la altura de la galera (s), son valoresconocidos.2. Al resolver por aproximaciones sucesivas, se va proponiendo q y se compara con el

q calculado, hasta que la diferencia entre ambos sea mnima.La ecuacin de Hooghoudt fue desarrollada para el clculo de drenes paralelos y permitedeterminar el caudal especfico por rea superficial y expresa el caudal unitario por reasuperficial (Figura 2).


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- Acufero con recarga superficial: La ecuacin que gobierna esta situacin es similara la anterior, con la nica diferencia que el radio de influencia de la galera (R) esconocido y est representado por la distancia a la fuente de recarga (D) (Figura 3):

- Galeras en acuferos con recarga superficialGalera en acufero de gran espesor: Se puede considerar a un acufero de gran espesor,cuando la relacin profundidad del dren al estrato impermeable, versus profundidad deubicacin al dren, es mayor o igual a 10 (Figura 4).


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Galera en acufero de poco espesor: se considera a un acufero de poco espesor, cuandola relacin profundidad del dren al estrato impermeable, versus profundidad al dren, esmenor a 10 (Figura 5).

2.4. Forma, tamao y distribucin de las aberturas

El tipo de abertura que se practica en las tuberas son las perforaciones y las ranuras,mismas que pueden ser realizadas con taladros o discos.Las dimensiones de las perforaciones dependen de las caractersticas del conducto.Segn la publicacin "The Desing of Small Dams", del "The Bureau of Reclamation", larelacin que debe existir entre la mayor dimensin de la abertura y el tamao de los

granos del filtro est dada por la siguiente expresin:(*) D85 es el tamao de la abertura del tamiz por donde pasa el 85 por ciento en peso delmaterial filtrante.

A su vez, la relacin de dimetros entre el forro filtrante y el material granular del acuferodebe ser igual o menor a cinco

La distribucin de las aberturas se hace de forma tal que no reduzca sustancialmente laresistencia a las cargas externas del conducto original. Se recomienda que tanto lasperforaciones como las ranuras se distribuyan uniformemente en el rea perimetral, talcomo se muestra en la Figura 6, lo que evita la creacin de zonas dbiles por dondepodra fallar la tubera.


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2.4. Forro filtrante

Este elemento es de suma importancia en el buen funcionamiento de las galeras defiltracin. Su funcin principal es impedir que el material fino del acufero llegue al interiordel conducto sin que sea afectada la velocidad de filtracin, debiendo el forro filtrante sermucho ms permeable que el acufero.El forro filtrante se asemeja a la capa soporte de los filtros de arena, y pueden aplicarse lasrecomendaciones que para el efecto existen y que se sintetizan en el Cuadro 6:


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Cuadro 6. Granulometra del forro filtrante. Capa Dimetro (mm) Altura (cm) MnimoMximo

Como se observa en el cuadro anterior, el espesor de cada una de las capas del filtro noexcede los 5 10 cm para lograr una filtracin eficiente. Sin embargo, para evitar quedurante la construccin queden tramos de conducto sin recubrimiento, puede ser

necesario usar mayores espesores, lo cual no afecta el funcionamiento de los drenes, sinoque ms bien lo protege contra cualquier defecto constructivo, ya que a medida queaumenta el espesor de las capas del forro filtrante, disminuye el riesgo de que los granosms finos del acufero sean arrastrados hacia el interior del conducto (Figura 7).


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2.5. Pozo colector o caja captadora

La funcin de este pozoes reunir el aguadrenada por la galera

de filtracin y facilitar, sifuera el caso,bombearla. El pozopuede ser circular orectangular, y susdimensiones debenpermitir a un hombrerealizar labores tanto delimpieza como demantenimiento de los

conductos y vlvulas deregulacin de los drenesy de los equipos deimpulsin.Es recomendable que elfondo del pozo seprolongue unos 60 cmpor debajo de la bocade salida del dren, parapermitir por un lado laacumulacin de laarena que pudiera serarrastrada por las aguascaptadas y por otrofacilitar elfuncionamientosatisfactorio del equipode impulsin del agua, si lo hubiera.Las paredes, el fondo y la parte superior del pozo deben ser fabricados deconcreto reforzado y los acabados de las paredes y del fondo deben serimpermeables. La parte superior del pozo debe llevar una abertura para la

instalacin de una tapa de concreto o de fierro y, dependiendo de suprofundidad, debe estar dotado de escalinatas para facilitar el acceso de unhombre al fondo del pozo (Figura 9).En caso que la galera se encuentre ubicada en las mrgenes de un curso ocuerpo de agua, y que el rea donde se ubica el pozo est sujeta a inundacindurante grandes avenidas, se debe elevar la tapa del pozo colector hasta unaaltura mayor a la que pueda alcanzar el agua, para evitar la entrada de aguasuperficial y la contaminacin del agua captada por la galera de filtracin.


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2.6 Informacin bsica

La informacin necesaria para elaborar el diseo de una galera filtrante es:

nsayos de bombeo.-qumico y bacteriolgico del agua.

2.7 Mtodos de construccin.-

Segn investigaciones los mtodos de construccin de galeras, de dndeconsidera a los siguientes 4 como los ms importantes:

1. Secciones de caja de alcantarilla de HA, con ranuras o agujeros2. Cajas de alcantarilla con paredes de mampostera, piso y cubierta de concreto3. Tubos de concreto perforados4. tubos de drenaje de acero galvanizado corrugados y perforados

Se considera que el segundo tipo es el de mayores ventajas por ser ms rpido deconstruir y porque disminuye el peligro de daos por crecidas. Los dos ltimos sonms baratos pero tienen varias desventajas. Las galeras necesitan ser limpiadasperodicamente. La frecuencia de la limpieza depende de la calidad del diseode los filtros y del tamao de las ranuras de la galera. Por esta razn los tubosranurados o perforados de PVC de 12 de dimetro que algunos proponen,no se consideran adecuados. Dado que la galera tiene que permitir la entrada

de un hombre, la galera debe tener por lo menos 1.20 m de altura y 0.90 m deancho. En caso de usar tubera, debe tener por lo menos 4 pies de dimetro.

Tubera de infiltracin o de avenamiento: son tuberas perforadas o ranuradasinstaladas de forma transversal o paralela a los cursos de agua. Es uno de losmtodos ms empleados por que resulta ms barato que la galera filtrante ypuede tener muchas aplicaciones.

Para el dimensionamiento de la misma, deber considerarse la cantidad de aguaque se quiere captar y la capacidad o rendimiento del agua sublvea. Requierede una cmara recolectora del agua que al mismo tiempo funcione como

desarenador.

La longitud de la tubera de infiltracin se calcula en funcin del caudal unitario,utilizando la siguiente frmula:


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El nmero de orificios se determina utilizando la siguiente expresin:

2.7.1 Diseo del filtro.-

Las galeras requieren ser cubiertas por un filtro gradado, usualmente de varias

capas. El filtro se disea para dar una alta permeabilidad rodeando a la galerapara asegurar la mnima resistencia hidrulica para el flujo que entra y evitar deesta manera que el material del ro entre a la galera a travs de las ranuras.Para una galera que capta flujo subsuperficial, el diseo de los filtros. La capa msfina se coloca hacia afuera y la ms gruesa hacia adentro. La gradacin de losfiltros debe cumplir siempre las siguientes reglas, establecidas por Terzaghi:


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Estos criterios dan respectivamente: Estabilidad para prevenir el movimiento de las partculas del suelo Permeabilidad Uniformidad

Cuando se grafican las curvas granulomtricas, las curvas del filtro deben seraproximadamente paralelas a las curvas del suelo subyacente. El filtro debecontener menos del 5% del material que pasa por el tamiz N 200 (0.074 mm).Para las capas internas del filtro, la capa debe ser diseada con estos criterios,dnde los parmetros del suelo se reemplazan por los parmetros relativos al filtrode abajo. Para la capa ms interna, la gradacin debe ser suficientemente gruesacomo para prevenir que el material pase por las ranuras de la galera. Paraasegurar esto, se debe seguir las siguientes reglas:

El espesor mnimo de la capa de filtro debe ser de 25 cm.Cuando una galera capta flujo superficial, las capas del filtro deberan alcanzar lasuperficie del ro. Pero si el material fino se colocar ms arriba, sera fcilmente

lavado por la primera crecida, entonces el estrato superior se disea como unacubierta de proteccin, ya sea de gaviones o de grandes piedras. El filtro resultaentonces ms fino, a fin de atrapar el material grueso que pueda moverse.Cuando se usan piedras como material de proteccin encima del filtro, debentener su tamao de acuerdo a la siguiente frmula del USBR:

Dnde:v = velocidad de flujo en pies/s

d = dimetro de las piedras (tamao de los bloques) en pulgadas.

3. OBJETIVOS

Captar agua sublvea de los lechos de los cauces permanentes e intermitentes. Captar agua subsuperficial de las laderas Aprobar la materia de obras hidrulicas I


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4. ENUNCIADO.-

Se desea captar agua para abastecer a poblaciones de Rio Abajo, mediante una

Toma de Galera Filtrante con tubera recolectora construida en la zona de RioPalcoma que recibe aguas del deshielo del Nevado Mururata.

Los datos con los que se cuentan son los siguientes:

Caudal, Q = 115 l/sCoeficiente de permeabilidad del terreno, k = 0.28Profundidad a la que se encuentra el conducto respecto al nivel de agua del rio, a= 3.3 mDimetro de la tubera recolectora, = 16 0.4064 m

Dimetro de los orificios, d = 0,0254 mRadio, r = 0.2032Velocidad, v = 0.05 m/sCoeficiente de entrada, = 0.55Pendiente, S = 0.01 m/mRugosidad de la tubera de Hormign, n = 0.013Tipo de tramo segn el cuadro (a), tramo recto en que se construir la galera,

X=1.25Profundidad mnima del flujo aguas abajo Y=1.8mCaudal en pies, q=0.530 Factor de aluvin de Lacey para un suelo con piedra, cantos rodados y gravas,

f=10


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5. DISEO

5.1. Memoria de clculo.-

a) Longitud de la tubera colectora:

L=

(1)

(2)

=

(2) en (1)

L=

=

L=68.945 m

L=70 [m]

La longitud total de la tubera colectora ser de 70 m.

b) Calculo del nmero de orificios:n=

(3)

A=


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(5)

Calculando para (4):

Calculando (4):

A=

A=0.060

Calculando (5):

0.0005067

Reemplazando (4) y (5) en (3):

n=

n=118.413 [orificios-m]


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n=120 [orificios-m]

El nmero total de orificios ser de 120 orificios cada metro lineal de tubera.

c) Velocidad en la tubera colectora:Aplicando la Ecuacin de Manning:

V=

(6)

V=

V= 1.675 [m/s]

La velocidad en la tubera colectora ser de 1.675 m/s.

d) Calculo de la profundidad de socavacin con la ecuacin de Lacey:

(7)

R=0.9*

(8)

Calculando (8):

R=0.9*

=

R=0.273

Reemplazando (8) en (7):

=


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La profundidad a la que se construir la tubera perforada ser de 1.708 m.Para evitar riesgos, se recomienda hacer las excavaciones por debajo de laprofundidad de socavacin, por lo tanto se escavara a 2 m por detalles

constructivos y proteccin a la tubera.

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