Hidrogeología y abatimiento de napas

Transcripción

1 y abatimiento de napas (84.07) Mecánica de Suelos y Geología Alejo O. Sfriso: asfriso@fi.uba.ar Juan M. Sitjá y Balbastro: jsitja@srk.com.ar

2 Índice Aguas subterráneas Hidráulica de pozos Diseño de sistemas de abatimiento de napas Leyes de filtro Estudios hidrogeológicos 2

3 El ciclo del agua 3

4 Aguas subterráneas 4

5 Aguas subterráneas Agua dulce 14% por agua subterránea 85% por glaciares y casquetes polares 1% por las aguas superficiales Las aguas subterráneas tienen mayor calidad que las superficiales debido al filtrado natural 5

6 El agua en el suelo El agua llena total o parcialmente los vacíos interconectados que tienen todos los suelos Cuando el suelo está casi saturado - hay continuidad de la fase líquida la presión del agua varía con la profundidad Cuando el suelo está poco saturado no hay continuidad de la fase líquida la presión del agua varía con el tamaño de los poros Si hay capas intercaladas de arenas y arcillas se puede romper la continuidad de la fase líquida 6

7 El agua en el suelo Los estratos de suelo/roca pueden actuar como Acuífero: alta permeabilidad y recarga, se puede explotar económicamente Acuícludo: baja permeabilidad o recarga, no se puede explotar económicamente Acuitardo: no permiten su explotación, recargan estratos adyacentes Acuífugo: no contiene una cantidad significativa de vacíos interconectados que permitan el flujo de agua 7

8 El agua en el suelo Limos plásticos: acuitardo Arena: acuífero libre Arcilla: acuícludo Arenisca: acuífero confinado Granito: acuífugo 8 Leoni 2008

9 El agua en el suelo Los pozos en acuíferos confinados pueden ser Surgentes Zona de recarga Semisurgentes En acuífero libre El agua se mantiene al nivel de la napa Este nivel fluctúa de manera independiente del acuífero a b 9

10 Nivel freático y piezométrico El nivel piezométrico es la medida de la presión del agua confinada El nivel freático es la cota de superficie libre del agua poral 10

11 Permeabilidad primaria y secundaria Permeabilidad primaria Flujo de agua a través de los poros del suelo Crece con el tamaño de poro Decrece con la plasticidad Permeabilidad secundaria Flujo de agua a través de fisuras, macroporos y vetas arenosas No correlaciona con las propiedades físicas de los suelos 11

12 Índice Aguas subterráneas Hidráulica de pozos Diseño de sistemas de abatimiento de napas Leyes de filtro Estudios hidrogeológicos 12

13 Pozo en acuífero confinado Q R o Hipótesis: Flujo radial, laminar, horizontal Continuidad = 2 = Darcy h = = H h(r) r w D Reemplazando 13 2 = h h = 2 ln + h <

14 Pozo en acuífero libre Q R o Hipótesis: Flujo radial, laminar, horizontal Continuidad = 2 h = Darcy = = h H h(r) r w Reemplazando 14 2 = h h h = ln + h <

15 Estimación de caudal Acuífero confinado = 2 ln h Acuífero libre = ln h Radio de influencia 3000 h 1 15

16 Ejercicio: Flujo confinado Q R o Determine el caudal por bomba y la separación entre pozos para lograr un abatimiento de 2.5m en una trinchera de 4m de ancho H=12m h(r) k=10-4 cm/s r w =0.10m D=4m h h = 2 ln 16

17 Ejercicio: Flujo confinado Solución Q R o El máximo caudal es tal que h w (altura de agua dentro del pozo) es igual al espesor del acuífero H=12m h(r) k=10-4 cm/s r w =0.10m D=4m h h = 2 ln 12 4 = ln = 115 h 17

18 Ejercicio: Flujo confinado Solución Q R o Abatimiento que debe aportar cada bomba = 1.25m La distancia entre bombas se calcula con H=12m h(r) k=10-4 cm/s r w =0.10m D=4m h = 2 ln / = 115 /h ln /2 0.1 = 40

19 Índice Aguas subterráneas Hidráulica de pozos Diseño de sistemas de abatimiento de napas Leyes de filtro Estudios hidrogeológicos 19

20 Diseño de sistemas de abatimiento de napas Selección del método de abatimiento Bombas en pozos profundos Wellpoint Otros (drenes horizontales, electroósmosis, etc ) Estimación del caudal total a bombear Diseño de la distribución de pozos Caudal por bomba Superficie freática abatida 20

21 Selección del método de abatimiento, Atmospheric Materiales gruesos: El gradiente hidráulico natural permite el drenaje Los caudales son altos Materiales finos: Se requiere aumentar el gradiente hidráulico Los caudales son bajos 21 Note: in header 25 ft; in filter soil in vicinity of well poin t ft.

22 Pozos profundos (suelos permeables) 22 (US Army 1983)

23 Wellpoint (suelos poco permeables) 23 (US Army 1983)

24 Elección del sistema de abatimiento 24

25 Estimación del caudal total a bombear Pasos Se define el área a deprimir y un círculo de área equivalente Se aplica la ecuación de un pozo único con r w = radio del pozo equivalente r w = ln h 25

26 Diseño de la distribución de pozos Pasos Se asume que cada pozo produce su cono de abatimiento sin interferir con los demás Se calcula la superficie 3D abatida con h = ln r 1 r 2 r 3 r 4 p 4 Se ajustan las posiciones de las bombas hasta que todas extraen caudales similares y la superficie queda uniforme 26

27 Ejemplo de cálculo 27

28 Ejemplo de cálculo 28 Cortes con napa abatida

29 Índice Aguas subterráneas Hidráulica de pozos Diseño de sistemas de abatimiento de napas Leyes de filtro Estudios hidrogeológicos 29

30 La erosión interna El flujo de agua produce tensiones efectivas que actúan sobre las partículas de suelo Si el material está mal graduado (por ejemplo gravas gruesa + arcilla) las partículas más finas pasan por los poros de las partículas gruesas: erosión interna Filtro: retiene los sólidos y deja pasar el agua 30

31 Diseño de filtros granulares Criterios Una granulometría no muy extendida (erosión interna) Poros no muy chicos (o se tapa): < 20 4 < / < 40 Poros no muy grandes (o se lavan los finos): / < 4 31 Nota: Repasar clase de granulometría C u es coeficiente de uniformdidad, d 15 es la abertura del tamiz por el que pasa el 15% (en peso) del suelo

32 Ejercicio: Diseñar filtros para cada uno de estos materiales 32

33 Ejercicio: Identificar dónde hay que colocar filtros 33

34 Índice Aguas subterráneas Hidráulica de pozos Diseño de sistemas de abatimiento de napas Leyes de filtro Estudios hidrogeológicos 34

35 Mediciones en terreno 35

36 Mediciones en cauces Caudal Río Lamas (L/s) 36

37 Modelos conceptuales 37

38 Determinación de superficies equipotenciales 38

39 Perfiles de isotransmisividad 39

40 Construcción de mapa hidrogeológico 40

41 y geoquímica Concentración Li en 20 años Modelo de flujo y transporte de solución para extracción de salmuera Optimización de pozos de produccion Desarrollo de plan minero para PEA Pozos 41 (Ugorets 2012)

42 Impacto operacional: Mina Letseng 42 (Mohomed 2012)

43 Impacto operacional: Mina Letseng 43 (Mohomed 2012)

44 Bibliografía Básica Waltham. Foundations on Engineering geology. Spon Jiménez Salas y otros. Geotecnia y Cimientos. Ed. Rueda Complementaria Terzaghi, Peck y Mesri. Soil Mechanics in Engineering Practice. 3ª Ed. Wiley Goodman. Engineering Geology. Wiley FHWA. Soils and Foundations Reference Manual 44