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DRENAJE DE AGUAS SUBTERRÁNEAS EN TÚNELES
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Dedicatoria El presente trabajo dedicamos a todas aquellas personas que invierten su su tiempo no sólo en sus aspectos personales y familiares, sino en estudiar cada día, para comprender mejor las cosas.
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PRESENTACION La interrelación del agua y los túneles es un factor de mayor importancia, tanto durante el proceso constructivo como durante su utilización, y afectando en ambas direcciones. Es decir, que la existencia de agua en el terreno, puede complicar notablemente el método constructivo para la realización de un túnel, y el mantenimiento del mismo durante su utilización. Igualmente, la construcción de un túnel puede constituir una obra de drenaje que modifique la situación hidrogeológica del macizo Dentro del campo de ingeniería, uno de los campos más complicados debido a la exigencia de estudios geológicos, como de su construcción, son los túneles y las galerías subterráneas. Esto significa que el primer problema dentro de un túnel es geológico. Normalmente la impermeabilización de los túneles tiene una gran importancia tanto en el campo técnico como económico, debido a la complejidad de elementos que la componen lo cual contribuye a la calidad y durabilidad de las obras, considerando las razones de impermeabilización durante la ejecución de túneles la Funcionalidad, durabilidad, seguridad, conservación, y en definitiva, calidad y menores gastos de mantenimiento durante la explotación. . El drenaje de los túneles es un concepto complejo por la cantidad de factores que pueden verse implicados en el mismo y los distintos puntos de vista desde los que puede ser contemplado. En sentido estricto podría comprender sólo las medidas que tienen por objeto canalizar y conducir las aguas que pueden afectar al túnel.
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INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................................................... 5 1.
OBJETIVOS ....................................................................................................................................................... 6
2.
Aspectos generales ........................................................................................................................................... 6
3.
Estudio del drenaje del túnel durante el proyecto ......................................................................................... 9
4.
Estudios geológico, geotécnico e hidrogeológico. ........................................................................................ 9
5.
Consideración del efecto de los túneles en la hidrogeología del macizo ................................................ 11 A.
Terreno duro ........................................................................................................................................... 12
B.
Terreno quebradizo ............................................................................................................................... 13
C.
Terrenos blandos ................................................................................................................................... 14
6.
Drenaje e Impermeabilización ....................................................................................................................... 16 6.1.-Drenaje ........................................................................................................................................................... 17 6.2.-Impermeabilización de túneles en mina .................................................................................................... 19 a)
Vía seca................................................................................................................................................... 20
b)
Vía semihúmeda .................................................................................................................................... 21
7.
Flujo de agua hacia un túnel .......................................................................................................................... 23
8.
Efecto de flujo sobre las condiciones mecánicas de los túneles .............................................................. 25
9.
Protección frente al agua durante la construcción .............................................................................................. 28
10.
Protección frente al agua durante la explotación ........................................................................................... 32
11.
ESTUDIOS DE DRENAJE ........................................................................................................................ 38
12.
SISTEMA DE DRENAJES ......................................................................................................................... 39
13.
COMPONENTES DE UN SISTEMA DE DRENAJE TÍPICO SON: ..................................................... 40
14.
CLASIFICACION DE SISTEMA DE DRENAJE ..................................................................................... 41
15.
ELEMENTOS DE DRENAJE SUBTERRÁNEO ..................................................................................... 42
1)
ZANJAS DRENANTES .............................................................................................................................. 42
2)
PANTALLAS DRENANTES ...................................................................................................................... 43
3)
FILTROS Y MATERIALES DRENANTES ............................................................................................... 44
4)
TUBERÍA DRENANTE ............................................................................................................................... 45
5)
COLECTORES............................................................................................................................................ 45
6)
ARQUETAS Y POZOS DE REGISTRO .................................................................................................. 46
16.
Antecedentes de bombeo y desagüe en minas subterráneas ............................................................. 46
17.
BOMBEO Y DESAGÜE EN MINAS SUBTERRÁNEAS ........................................................................ 48
I.
Desagüe principal ....................................................................................................................................... 48
II.
Desagüe secundario o auxiliar .................................................................................................................. 49
18.
Ejercicios:.................... ..................... ...................... ...................... ...................... ...................... ...................... 51
19.
CONCLUCIONES ..................... ..................... ...................... ...................... ...................... ..................... ............ 60
20.
BIBLIOGRAFIA .................... ..................... ...................... ...................... ...................... ..................... ................ 61
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INTRODUCCIÓN En el plano Operativo de una explotación, el objetivo primordial es conseguir que las aguas que entren en contacto con la mina (Tanto superficial como subterránea), y en los túneles de obras civiles para el transporte vehicular, deben ser las mínimas posibles, por lo tanto ejecutar una drenacion de la manera más controlada posible. El estudio de los problemas de drenaje de mina tiene dos aspectos. El primero es el de mantener condiciones adecuadas de trabajo tanto a cielo abierto como en interior, para lo que es frecuente la necesidad de bombeo del agua. El segundo aspecto del drenaje de mina es la gestión de las interferencias de la operación en la hidrósfera. Esta gestión tiene normalmente los siguientes objetivos •
Minimizar la cantidad de agua en circulación en las áreas operativas
•
Reaprovechas el máximo de agua utilizada en el proceso industrial.
Eliminar aguas con ciertas características para que no afecten negativamente la calidad del cuerpo agua recepto. Para alcanzar estos objetivos la gestión incluye la implantación y operación de un sistema de drenaje adecuado a las condiciones de cada mina y túnel, además de un sistema de recirculación del agua industrial.
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1. OBJETIVOS Entre los objetivos de Drenaje se pueden mencionar:
Evitar la presencia de aguas sobre la pista de tránsito en el túnel Evitar la presencia de pozos y charcos de agua en la pista de transito del túnel. Evitar la humedad en las paredes del túnel, puesto que estos generan debilidad en el túnel. Reducción de la permeabilidad del túnel La reducción de las fuerzas hidrostáticas actuantes en la base de la estructuras de retención de agua o en el recubrimiento de un túnel. Mejora de las condiciones de excavación por estabilización, consolidación y/o control de agua. Mantiene las propiedades mecánicas del medio evitándose así la modificación de las propiedades físicas y químicas de las rocas preexistentes. Evita la desestabilización de las rocas altamente fracturadas para facilitar las tareas de excavación.
2. Aspectos generales La heterogeneidad del medio geológico impone dificultades al reconocimiento previo. Ello se ilustra en las Fig 3 y 4. En la Fig. 3 se ilustra la variabilidad esperable en terrenos aluviales a partir de los datos proporcionados por la excavación de un túnel en gravas del Támesis. En la Fig. 4 aparece una propuesta de tipo de reconocimiento cuando la variabilidad estratigráfica es notable.
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Según investigación previa a contrato de los trabajos del túnel.
Según sondeos efectuados durante los primeros tiempos de la excavación.
Terreno excavado en el túnel.
Fig.3-Variabilidad de terrenos aluviales en la cordillera de los andes.
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Disposición de sondeos poco correcta
Disposición más correcta
Fig.4 La experiencia indica que una gran parte de las dificultades importantes que surgen en la construcción de túneles está directa o indirectamente relacionada con el agua. El reconocimiento previo al proyecto y construcción debe intentar definir las circunstancias adversas en relación con el agua. Se ha criticado (Fig. 1) la importancia desmesurada que se otorga en informes previos a la descripción de las circunstancias geológicas en detrimento de otra información fundamental para la construcción de un túnel. La información que proporcione el reconocimiento debe ser interpretada y transformada en recomendaciones y propuestas concretas en relación con la construcción del túnel. La acumulación de datos por sí misma tiende a ser irrelevante.
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Relación de informes dedicados a distintos ámbitos (Muir Wood & Kirkland, 1985
3. Estudio del drenaje del túnel durante el proyecto De manera breve se podría afirmar que el estudio del drenaje del túnel en el Proyecto se basa en el estudio hidrogeológico del mismo. Hay dos factores que es necesario tener en cuenta en el estudio del drenaje del túnel: La
estrecha conexión entre los aspectos geológicos, geotécnicos e hidrogeológicos.
La compleja relación en el aspecto hidráulico del túnel con el terreno en el que se excava.
4. Estudios geológico, geotécnico e hidrogeológico. Es conveniente la planificación conjunta de estos estudios por la estrecha relación entre ellos. Así, desde el comienzo del estudio geológico se debe prestar atención a los aspectos hidrogeológicos que van a condicionar los caudales interceptados por el túnel. La cartografía geológica debe de recoger con detalle la presencia de pliegues, fallas, diques y contactos entre formaciones de diferente permeabilidad, etc, y analizar las consecuencias de los mismos, no sólo desde el punto de vista geo mecánico, sino también hidráulico.
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El sistema de impermeabilización dependerá directamente de los caudales de agua infiltrados en el túnel. Existen diferentes métodos empíricos para calcularlos, tales como: método de Hvorslev, Goodman, Heuer, Dupuit, Romanova, etc. Dichos caudales variarán en función de:
La geología de los sustratos, en cuanto a la capacidad para almacenar y transmitir el agua; existencia de fallas, contactos, plegamientos, etc. La climatología, factores como la pluviosidad, heladas, evaporación, etc. Está directamente relacionados con la capacidad de recarga de los acuíferos.
La geomorfología, donde las condiciones de la superficie, orografía, y características del suelo, determinan la escorrentía superficial; y por tanto las posibilidades de infiltración relacionada directamente con la recarga de los acuíferos. Los parámetros hidrogeológicos más interesantes son: Porosidad Permeabilidad Gradiente hidráulico Transmisividad
Así, en el estudio geológico, hay que prestar una atención especial a aspectos como los siguientes:
La litología, estratigrafía y accidentes geológicos sobre todo pliegues y fallas de las formaciones rocosas afectadas por el túnel, dado que son factores que influyen de manera decisiva sobre los caudales captados por el mismo. La fracturación, dado que en las rocas ígneas y metamórficas con poco grado de alteración la mayor parte de los caudales llegan a través de dichas fracturas y la permeabilidad medida en la dirección del buzamiento es también muy superior a la media del macizo. En cuanto a las rocas sedimentarias carbonatadas, la permeabilidad primaria, es decir, la que se produce a través de la roca matriz, es casi siempre despreciable frente a la secundaria, debida a los fenómenos de fracturación y disolución.
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En todas las formaciones, los pliegues y fallas son zonas de debilidad que pueden aportar caudales localizados. En los primeros, los sinclinales suelen ser problemáticos al atreverse posibles puntos bajos de estratos apoyados en otros más impermeables y, en cuanto a las fallas, son los accidentes potencialmente más peligrosos. Por una parte, actúan como barreras hidráulicas al poner en contacto estratos permeables con otros impermeables, pudiendo dar lugar a fuertes diferencias piezométricas localizadas y, por otra parte, el plano de falla puede actuar como conductor si se trata de una brecha o como interceptor si se trata de una milonita. El estudio simultáneo de las características litológicas y estructurales de las formaciones y el del emplazamiento y caudal de los manantiales existentes puede dar datos hidrogeológicos interesantes. Por ejemplo, si en las laderas de una montaña o de un valle aparecen varios manantiales de poco caudal, suelen indicar la presencia a poca profundidad de materiales poco permeables y la existencia de un nivel freático somero. Por el contrario, si aparecen manantiales de mayor volumen en el fondo del valle, normalmente será indicio de que el agua recogida por la ladera percola verticalmente a través de rocas permeables, dando lugar a un nivel freático más profundo. Por tanto, según la posición del túnel y la permeabilidad de las formaciones que atraviesa, podrá interceptar o no a los acuíferos y captar aguas de los mismos. Formaciones especialmente conflictivas son las susceptibles de sufrir fenómenos de disolución, como son los terrenos calcáreos o los de yeso. En el caso de las calizas, aparte de los problemas inherentes a la certificación, está el de ser acuíferos potenciales, especialmente en el contacto con formaciones impermeables. En el caso de los yesos, aparte de los fenómenos de disolución, hay que tener presente su capacidad de generar aguas agresivas para los hormigones o morteros utilizados en el túnel. Formaciones potencialmente expansivas, como determinados tipos de arcillas o las anhidritas.
5. Consideración del efecto de los túneles en la hidrogeología del macizo Estudios Hidrogeológicos establecen los siguientes criterios de obligado cumplimiento en el proyecto de obras subterráneas para el transporte terrestre necesarios para conseguir conocer de una manera suficiente las etapas de construcción o explotación, las siguientes facetas: MINAS-UNIDAD-PERSEVERANCIA
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Establecimiento de la situación de los niveles freáticos, y eventual variación estacional.
Existencia de fuentes, manantiales, captaciones de agua, etc, que puedan influir en el túnel, o ser influidos por este.
Permeabilidad o transmisividad de los diferentes terrenos que pudieran ejercer su influjo en los aportes de agua al túnel durante la vida de la obra. Factores que influyen en la elección del drenaje o impermeabilización del túnel. Influjo del eventual drenaje del túnel en la posible variación de las condiciones hidráulicas de los niveles freáticos, afloramientos o aprovechamientos. Posibilidad de que el túnel suponga una barrera total o parcial a las corrientes subálveas naturales y la correspondiente variación de las circunstancias.
Influencia del terreno y del sistema constructivo Los sistemas de impermeabilización podrán variar en función del tipo de terreno, ya que estarán directamente relacionados con el método de excavación empleado, y también con el tipo de sostenimiento sobre el que se va a instalar el sistema. La importancia del terreno es decisiva para la construcción de un túnel, por un lado en el sistema de construcción y por otro en el tipo de revestimiento utilizado. Con respecto al sistema de impermeabilización se pueden distinguir tres tipos de terreno,
Terreno duro Terreno quebradizo Terreno blando
A. Terreno duro Se utilizan procedimientos de excavación en grandes bloques y dada la naturaleza del terreno el túnel es estable (por cierto tiempo) no siendo necesario un sostenimiento previo. En estos casos no hace falta la utilización de revestimientos que soporten el terreno y establezcan un equilibrio, basta con eliminar irregularidades y rellenar fisuras mediante
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hormigón proyectado, y aplicar después el sistema de impermeabilización sobre esta superficie ondulada y rugosa. Por último se revestirá con hormigón encofrado o proyectado si es necesario formar la estructura de soporte del túnel, teniendo en cuenta la presión del terreno e incluso del agua.
B. Terreno quebradizo No se puede construir el túnel a sección completa, es preciso hacerlo por etapas sucesivas dando lugar a varios tipos de avance (nuevo método Austriaco, Belga, Inglés, etc.) siendo preciso la realización de un sostenimiento previo en cada fase que garantice la seguridad del túnel y por lo tanto del avance (cerchas, hormigón proyectado, bulones, etc.). Es sobre este soporte y antes del revestimiento estructural, donde se realizará la impermeabilización.
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C. Terrenos blandos En este tipo de casos (plásticos) el túnel tiene que estar construido en el espacio creado por la máquina tuneladora (T.B.M.) y por tanto es preciso que la construcción del soporte se efectúe enseguida en dicho espacio. En este tipo de terreno existen dos formas de conseguir la estanqueidad. Sellado de juntas entre dovelas, o un sistema de impermeabilización de superficies de dichas dovelas (en el caso de dovelas reticulares o metálicas, es necesario primero igualar la superficie como soporte del sistemapdeppimpermeabilización). Cuando la unión entre dovelas y la impermeabilización no sea suficiente para soportar la presión del agua, es necesario construir un revestimiento interior pconphormigónpencofrado.
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Una vez definidos los procedimientos de impermeabilización, según la Influencia del terreno, será importante resaltar la determinación de consecuencias para la elección del material de impermeabilización. Con revestimientos rígidos solo se necesita un material de flexibilidad muy pequeña sin embargo con revestimientos flexibles (dovelas) solo se puede utilizar materiales con un alto grado de elasticidad.
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6. Drenaje e Impermeabilización Se tratará ahora sobre la manera de afrontar la acción del agua sobre el túnel y de esos efectos colaterales que pueden involucrar a otros bienes o servicios de muy diverso tipo afectados por su construcción. Como en cualquier estructura en contacto con el terreno, caben en principio dos maneras de actuar frente a la acción del agua. Una consiste en tratar de oponerse al paso de la misma, es decir, reforzar todo lo posible la impermeabilización, mientras que en el polo opuesto está la de no impedir la entrada del agua sino más bien controlar su entrada mediante los dispositivos de drenaje para conducirla y verterla al exterior. En principio, pueden parecer términos o estrategias contrapuestas y, vistas desde un punto de vista estricto, así es. No obstante, y al igual que ocurre en otras estructuras en contacto con el terreno como los muros (ya sean de sótanos, estribos de puente, etc) las tendencias actuales son las de poner un drenaje en el contacto con el terreno y, por otra parte, aplicar algún tipo de impermeabilización en la cara del trasdós de la estructura. En este sentido son, por tanto, aspectos complementarios que colaboran para garantizar la durabilidad de la estructura. En el caso de los túneles la solución es más compleja porque está condicionada por varios factores: Afecciones a acuíferos o a masas o corrientes de agua superficiales. Sistema constructivo. Funcionalidad del túnel.
En cuanto al primer factor, es claro que una mayor sensibilidad frente a la captación de aguas, ya sea por razones ambientales o por posibles problemas constructivos, por afección a cimentaciones, etc, hace necesario poner un mayor énfasis en la impermeabilización. Lo mismo ocurre con el tercer factor, ya que, según la funcionalidad del túnel, se pueden admitir unas mayores o menores filtraciones durante la explotación del túnel pero, lógicamente, en una gran parte de los túneles, es precio lograr unas filtraciones reducidas durante el período de la vida út il de la obra. Más adelante se tratará sobre las prescripciones de la normativa reciente a este respecto. En cuanto al segundo factor, el método constructivo es el que puede dar lugar a mayores diferencias en los flujos de agua que se produzcan durante la obra, tanto por el propio método en sí, que puede conllevar un mayor énfasis en el drenaje o la impermeabilización, como por el hecho de que en esta etapa, de duración relativamente corta, puede ser admisible en MINAS-UNIDAD-PERSEVERANCIA
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muchos casos aceptar una mayor presencia de agua en la obra, siempre que la misma se controle adecuadamente
6.1.-Drenaje Dependiendo de los caudales de filtración, se efectuará una impermeabilización primaria a base de drenes con Media Caña (sistema Oberhasli) para recoger y conducir las grandes aportaciones de agua a los drenes o cunetas longitudinales. Este sistema se efectuará sistemáticamente dependiendo de las zonas de mayor filtración o no, en cuyo caso, su aplicación será puntual. La misión de los drenes es, además de recoger el agua, presentar soportes adecuados para la aplicación del hormigón proyectado polimérico impermeable posterior. Los sistemas de impermeabilización primaria (drenaje) más usuales en el Nuevo Sistema Oberhasli son:
Media Caña de material plástico, adosada al contorno o perímetro, en forma de espinas de pez o no. Se pueden proteger en su colocación mediante pasta de cemento con acelerante ultrarrápido Sika 4a, capaces de fraguar en presencia de agua y a su vez protectoras de la media caña. ver Fig.)
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Media Caña de material plástico, colocada en roza perimetral de dimensiones apropiadas al caudal y dimensión de la Media Caña, selladas en bordes con Sikaswell S-2
Dren autoformado mediante hormigón proyectado impermeable sobre mangueras retiradas o Medias Cañas, para la f ormación del dren.
El acceso a los conductos de drenaje en su parte inferior ( altura en hastial > 0,80 m) debe figurar en los proyectos de manera particular, con el fin de permitir los controles posteriores de mantenimiento del túnel Se efectuará en toda la superficie a tratar, un tratamiento impermeable a base de hormigón proyectado polimérico, de 4 cm. de espesor mínimo, previa limpieza de soporte existente Como información del procedimiento de aplicación del Hormigón Proyectado, se contempla a continuación su tecnología. MINAS-UNIDAD-PERSEVERANCIA
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6.2.-Impermeabilización de túneles en mina En los túneles excavados en mina que luego van a ser revestidos mediante un anillo de hormigón se utilizan normalmente como sistema de impermeabilización láminas de poli cloruro de vinilo en base a las normativas nacionales y europeas en vigor. El sistema de impermeabilización con láminas de PVC es el más implantado en España y en Europa y consiste en la colocación de un material protector de la membrana impermeabilizante que se coloca contra la superficie del sostenimiento para luego instalar la lámina de PVC.
En la c o n s t r u c c i ó n de túneles, la impermeabilidad se conv ierte una d e las ca ra ct er íst ic as m ás importantes de cualquier proyecto .
El sistema tiene total garantía debido a los sistemas de soldadura utilizados para unir diferentes láminas, que son realizadas mediante máquinas semiautomáticas de aire caliente con el sistema de doble cordón de soldadura con canal central de comprobación. Dicha soldadura se puede ensayar mediante la inyección en el canal de aire comprimido. En algunos túneles se utilizan sistemas de drenaje mediante láminas drenantes. Dicho sistema no garantiza la impermeabilización, pero para muchas obras puede ser suficiente, ya que lo que sí asegura es una muy buena capacidad de drenaje
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En los túneles excavados e n m i n a que luego van a ser revestidos mediante u n anillo de hormigón se utilizan normalmente como sistema de im permeabilización lám in as de poli cloruro vinilo.
a) Vía seca Procedimiento mediante el cual todos los componentes del mortero u hormigón proyectado son previamente mezclados, a excepción del agua que es incorporada en la boquilla de salida antes de la proyección de la mezcla. El transporte de la mezcla sin agua se realiza a través de mangueras especiales de forma neumática (flujo diluido) desde la máquina hasta la boquilla de proyección. El cemento y los áridos deben estar mezclados adecuadamente hasta conseguir una perfecta homogeneidad en proporciones variables. Lo normal es utilizar un cemento Portland, aunque a menudo se emplean cementos especiales, junto con diferentes clases de áridos (artificiales ó naturales, de río o de machaqueo) Dicha mezcla de emento/áridos en seco se introduce en un alimentador, entrando en la manguera de transporte mediante una rueda ó distribuidor (rotor). La mezcla es transportada mediante aire a presión hasta una boquilla o pistola especial. Esta boquilla va equipada con un distribuidor múltiple perforado, a través del cual se pulveriza agua a presión que se mezcla con el conjunto cemento/áridos. La mezcla ya húmeda se proyecta desde la boquilla sobre la superficie que debe gunitarse. En este sistema, la adición de los aditivos acelerantes de fraguado en polvo se realizará sobre la tolva de alimentación de la máquina gunitadora, mientras que en el caso de empleo de aditivo acelerante líquido este se dosificará mediante un dosificador de aditivos apropiado, añadiéndose a la mezcla de hormigón unos 4 ó 5 m. antes de la boquilla de proyección.
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b) Vía semihúmeda Procedimiento mediante el cual todos los componentes del mortero u hormigón proyectado son previamente mezclados, a excepción de una parte del agua que es incorporada a 4-5 metros de la boquilla especial de salida antes de la proyección de la mezcla. Se utilizan áridos hasta con el 8 % de humedad, bien debido a su procedencia o añadiéndole dicha agua en planta. El transporte de la mezcla se realiza a través de mangueras especiales de forma neumática (flujo diluido) desde la máquina hasta la boquilla de proyección. El sistema de hormigón proyectado por vía semihúmeda es idéntico en sus primeras fases a la vía seca, difiriendo únicamente de él, en que se uti lizan áridos con humedades de hasta el 8 %, bien debido a su procedencia o a una adición de agua en la mezcladora y que a una distancia aproximadamente de 4-5 m. de la boquilla de proyección se efectúa la adición complementaria del agua, mejorándose así las propiedades de la mezcla al llegar a la boquilla, de la que saldrá el mortero u hormigón proyectado. Otra de las ventajas de este sistema es que evita el polvo resultante de la proyección, así como la pérdida de cemento en la mezcla al salir de la boquilla especialmente diseñada para éste sistema. También se puede considerar que el agua añadida se incorpora perfectamente durante esos 4-5 m a la mezcla, haciéndola más homogénea y lo que es más importante, que la relación agua/cemento sea adecuada, permitiendo una homogeneidad de resultados no superior al 10 %. - La instalación de sistemas de impermeabilización es una sofisticada pieza de ingeniería. Sólo una instalación precisa puede llevar al éxito. El más mínimo error permitiría que entre el agua, entre la geo membrana y entre la capa de hormigón en el interior. - El instalador no puede ser el único responsable para garantizar el éxito de un sistema de impermeabilización en tales circunstancias, hay demasiados riesgos de daños después de que haya culminado su trabajo. - El contratista tiene la obligación de ejecutar las obras de la misma manera profesional y cuidado que el instalador para ofrecer un t únel seco. - Esta es una tarea difícil y por consiguiente pueden suceder fallos en el sistema de estanqueidad. Por lo tanto, un sistema de reparación está previsto desde el principio a través de la integración del sistema de compartimentación con tuberías de inyección. Se ofrece una oportunidad real para cerrar las fugas en el sistema de impermeabilización
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7. Flujo de agua hacia un túnel Los túneles, revestidos o no, tienden a actuar como drenes permanentes en el terreno (Ward y Pender, 1981). Los datos recogidos en la Fig. 5 muestran la importancia de la filtración hacia túneles en la red de ferrocarriles de Japón. No se detectan diferencias notables entr e litologías (a excepción quizá de los terrenos volcánicos) y se advierte el notable incremento de caudales filtrados que suponen las zonas fracturadas debido al aumento de permeabilidad. La filtración hacia los túneles tiende a disminuir con el tiempo (Fig. 5, 6) seguramente como consecuencia de rebajamientos permanentes progresivos de niveles piezométricos. Algunas excepciones (incremento de caudales) pueden estar asociadas al lavado de juntas y pérdida de finos en las inmediaciones de los túneles donde los gradientes tienden a ser altos. a)
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b)
Fig. 5a y b. Filtración recogida por los túneles de la red de FF.CC. de Japón (Ishizaki,1979)
Un parámetro fundamental y de difícil determinación para la obtención de caudales es la permeabilidad del terreno. En medios fracturados se han utilizado con frecuencia técnicas de homogeneización con el fin de obtener permeabilidades equivalentes de medio continuo. Una alternativa es la simulación de las familias de discontinuidades presentes (Fig. 9 a) y a partir de sus conexiones hidráulicas (Fig. 9 b) resolver el problema de flujo hacia un túnel excavado en un macizo rocoso así generado. Un análisis de este tipo (Fig. 9 c) muestra que el caudal medio hacia el túnel crece con su radio, aproximadamente en la misma proporción que crece la frecuencia de intersecciones con fracturas activas hidráulicamente. Este análisis muestra también que el coeficiente de variación de los caudales calculados disminuye con el tamaño del túnel, lo que refleja un efecto promedio en túneles de mayor tamaño
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a) Simulación de macizo diaclasado
k l
lkmol
b) Malla interconectada y condiciones l l de contorno
8. Efecto de flujo sobre las condiciones mecánicas de los túneles Una parte de la carga que el terreno, en presencia de agua en filtración, ejerce sobre el revestimiento de un túnel lo constituye la distribución de presiones de agua sobre el mismo. La distribución de presiones de agua sobre un revestimiento impermeable puede calcularse fácilmente a partir de una red de corriente. En el caso concreto de las Figs. 10 y 11 se ilustra el efecto que sobre las presiones de agua ejercidas sobre el revestimiento de un túnel, tiene la mayor o menor proximidad de un túnel de drenaje.
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Fig.-10-Red de corriente con proximidad de un túnel de drenaje (Oteo, 1982)
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Fig.11-Empujes del agua en el revestimiento de un túnel con túnel de drenaje (Oteo, 1982)
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9. Protección frente al agua durante la construcción
Es común la utilización de inyecciones desde el exterior (Fig. 26 y 27, en este último caso acompañada de un “paraguas” de “jet grouting”) o bien desde el interior del propio túnel. En general, en terrenos de mala calidad saturados, se combinan procedimientos de drenaje e inyección desde el propio túnel. Es frecuente que en circunstancias difíciles se dispongan taladros de longitud apreciable (30 m – 100 m), perforados desde el frente, para detectar presiones o caudales elevados y permitir el drenaje (Fig. 28b). La combinación de inyecciones y drenaje que aparece en la Fig. 28 a es similar en su concepción a la Fig. 20c, discutida anteriormente.
Fig. 26Tratamiento de túneles en Hong-Kong (Mc Feath Smith + Haswell, 1985)
Un caso interesante de drenaje intensivo mediante aplicación de vacío, de granitos descompuestos saturados de baja permeabilidad aparece en la Fig. 29. Este procedimiento fue la alternativa, finalmente ejecutada, a un método por congelación inicialmente proyectado. Los niveles piezométricos se pueden reducir también desde el exterior utilizando pozos de bombeos. En ocasiones (Fig. 30) es necesario completar este drenaje exterior con drenajes suplementarios desde el propio túnel. En grandes obras se ha recurrido a túneles de drenaje auxiliares. El túnel de Seikan, ampliamente descrito en muchas referencias, es un ejemplo de este concepto
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Fig.27-Metro de Milán. Esquema de tratamiento (Tornaghi + Cippo, 1985)
a)TRATAMIENTOS EN EL PASO DE UNA FALLA IMPORTANTE
b) PERFIL HIDROGEOLÓGICO Y ESQUEMA DE DRENAJE PREVIO A LA EXCAVACIÓN FIg.28.Túnel Long, Congo-Océano, A = 40 m 2 y L = 4.6 Km (Lepetit + Chapeau, 1985)
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K gsc≈10 −8 m / s
Drenes: 3000 m lineales; long: 20-25 metros
Q ≈ 10 15m3 / s
Fig.29-Drenaje en el túnel de Du Toitskloo, Sudáfrica (Bütter, 1987)
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Fig. 30. Túnel de Kokubu (Tokyo). Esquema de drenaje (Fujimori et al, 1985)
Fig. 31. Túnel de Seikan (Megaw + Barlett, 1981)
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10. Protección frente al agua durante la explotación
Se emplean técnicas de drenaje y de impermeabilización. Con el drenaje se pretende además reducir a cero la presión de agua, generalmente en el trasdós del revestimiento. Para ello el agua debe ser conducida (drenada) y evacuada por algún procedimiento. En la Fig. 32 se ha dibujado un esquema del sistema de drenaje utilizado en algunos túneles de España (túneles en la autopista Campomanes-León). El drenaje interior de la calzada puede utilizar los mismos sistemas de evacuación que se diseñan para el drenaje del túnel propiamente dicho. En el caso dibujado el drenaje está confiado a un material de alta porosidad situado entre el revestimiento definitivo y el macizo rocoso o terreno, ya sostenido. La descarga del agua recogida en el dren de gravas de base se efectúa al amparo de juntas abiertas que coinciden con juntas de construcción. En estas juntas abiertas pueden tener origen otros sistemas adicionales de drenaje (taladros-dren, rozas, etc.
Fig-32-Esquema de sistema de drenaje utilizado en túneles de la autopista Campomanes-León
En construcciones recientes, el drenaje suele ir asociado a la impermeabilización. Con frecuencia, son láminas de PVC situadas en el extradós del revestimiento las que aseguran la estanqueidad del túnel. Estas láminas asientan sobre mallas permeables que además de asegurar el drenaje proporcionan una adecuada regularización de la superficie irregular del sostenimiento (Fig. 33 a). Debe tenerse en cuenta en el proyecto la pérdida de permeabilidad originada por la presión ejercida por el terreno (Fig. 33b) y la influencia de precipitaciones y depósitos transportados por el agua de filtración (Fig.33). Un ejemplo de disposición de la membrana de impermeabilización se ha recogido en la Fig. 34 No son comunes, en diferentes países, las prácticas de impermeabilización de MINAS-UNIDAD-PERSEVERANCIA
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túneles. Algunos suelen exigir la impermeabilización integral de toda la longitud del túnel. El otros, se drena y/o impermeabiliza determinados tramos con problemas concretos. Tampoco es universal la impermeabilización mediante membrana en el trasdós del revestimiento. A veces la impermeabilización se confía a un revestimiento secundario, interior al revestimiento (o sostenimiento) principal. Este revestimiento secundario puede cumplir además otras funciones (incremento de luminosidad, estética). Se han reunido unos ejemplos en la Fig. 35
Figs. 33Drenaje (Malla tridimensional) e Impermeabilización (Membrana impermeable PVC); Berkhout et al, 1987
Si el túnel se construye mediante dovelas prefabricadas (sistema que no necesariamente se utiliza en terrenos de baja calidad) se consigue una impermeabilización efectiva mediante materiales de sellado comprimidos entre las juntas longitudinales y transversales de las dovelas (Fig. 36 a). Más recientemente se han utilizado también inyecciones de bentonita/cemento, cemento con látex, resinas, en conductos de sellado limitados por las propias dovelas prefabricadas. En estos sistemas mediante dovelas una primera barrera al paso del agua lo constituye con frecuencia la inyección de trasdós. La experiencia demuestra sin embargo que estos túneles actúan también como drenes de los acuíferos que atraviesan
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Fig,34.-Metro de Washington. Impermeabilización (Martin, 1987) Premio ASCE para el mejor proyecto en Ingeniería Civil, 1987
En la mayoría de los túneles el agua drenada es evacuada mediante conductos hacia el exterior siguiendo las pendientes naturales del trazado. En otras ocasiones y singularmente en el caso de túneles subacuáticos es necesario prever estaciones interiores de bombeo pues el trazado supone la existencia de puntos interiores de acumulación del agua drenada MINAS-UNIDAD-PERSEVERANCIA
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ESTRUCTURA SANDWICH DE FIBRA DE VIDRIO Y RESINA DE POLIESTER
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-PLANCHAS DE ALUMINIO CORRUGADAS Fig35.-Revestimiento secundario de protección frente al agua en Noruega (Krokeborg + Pedersen, 80’s)
CEMENTO DE ASBESTOS (FRÁGIL) PLOMO (CARO) Fig. 36a. Impermeabilización en túneles construidos mediante dovelas (Megaw + Bartlett, 1981) MINAS-UNIDAD-PERSEVERANCIA
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Fig. 36b. Impermeabilización en túneles construidos mediante dovelas (Lyons, 1979)
Fig. 37. Esquema de drenaje en un túnel subacuático (Bendelius, 1982)
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11. ESTUDIOS DE DRENAJE Toda explotación minera se ubica en una cuenca hidrológica e hidrogeológica concreta y, en la mayoría de los casos, se desarrolla por debajo de los niveles freáticos de la zona. Por ello, las explotaciones constituyen puntos de drenaje o de descarga de corrientes superficiales o subterráneas y, en todo los casos, pueden llegar a alterar el funcionamiento hidrológico o hidrogeológico de la zona. El estudio de las condiciones hidrogeológicas puede ser requerido en los proyectos mineros para los siguientes objetivos: El desarrollo de perfiles geoquímicos para apoyo en la localización de potenciales yacimientos La determinación de los niveles freáticos y los perfiles de presión con la profundidad La obtención de muestras de agua para la evaluación de los niveles de calidad de bases Estudios ambientales de base) previos y durante la exploración, el minado y a la conclusión de la explotación Minera. Determinación de los caudales profundos y sus presiones en la estabilidad de las explotaciones subterráneas La evaluación de métodos de control de flujos subterráneas y de su influencia en la estabilidad. La monitorización del desagüe subterráneo y la potencial contaminación originada en las pilas de lixiviación, vertederos y presas.
La diversidad de los problemas de tipo hidrológico que pueden encontrarse tanto en minería subterránea como rajo abierto es muy grande, las afecciones hidrológicas e hidrogeológicas debidas a las actividades de drenaje y desagüe de la mina serán de larga duración, ya que los trabajos deben haberse iniciado dos o tres años antes del comienzo de la explotación, se prolongan a lo largo de la vida de la mina (20-25 años o más) y seguirán durante la fase de abandono, una vez concluida la explotación. El conjunto de afecciones exigen disponer desde el inicio del proyecto, de un exhautivo estudio de hidrogeología previo, en el que:
Se identifique y caracterice detalladamente toda el área de funcionamiento y de afección hidrogeológica de la zona a explotar (áreas de recarga y de descarga) Permita plantear un modelo conceptual de funcionamiento Posteriormente, permita el desarrollo de un modelo numérico de flujo que incluya la simulación de una serie de alternativas de drenaje Permita llegar, finalmente, a la elección y el diseño del sistema de drenaje que se considere convenientemente MINAS-UNIDAD-PERSEVERANCIA
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12. SISTEMA DE DRENAJES DRENAJES La función principal de un sistema de drenaje es la de permitir la retirada de las aguas que se acumulan en depresiones topográficas del terreno, causando inconvenientes ya sea a la agricultura o en áreas urbanizadas. El origen de las aguas puede ser:
Por escurrimiento superficial Por la elevación del nivel nivel freático, causado por el riego, o por la elevación del nivel de un río próximo Directamente precipitadas en el área .
Otra función sumamente importante del sistema de drenaje es la de controlar, en los perímetros de riego, la acumulación de sales en el suelo, lo que puede disminuir drásticamente la productividad. Principalmente, el sistema de drenaje está compuesto por una red de canales que recogen y conducen las aguas a otra parte, fuera del área a ser drenada, impidiendo al mismo tiempo, la entrada de las aguas externas. Típicamente estos sistemas se hacen necesarios en los amplios estuarios de los grandes ríos y en los valles donde el drenaje natural es deficiente. La red de canales o azarbes debe ser periódicamente limpiada, eliminando el fango que se deposita en ellos y las malezas que crecen en el fondo y en los taludes, caso contrario muy fácilmente el flujo del agua se modificaría y se perdería la eficiencia del sistema. Cuándo los terrenos que deben ser drenados están todos a una cota superior a la obra o recipiente donde se quiere llevar el agua drenada, se puede aprovechar la declividad natural del terreno y el sistema funciona perfectamente con la fuerza de la gravedad. Caso contrario deberá implementarse una estación de bombeo. Cuando la zona a ser saneada se encuentra a una cota inferior a las circundantes, y esta disponible un río con un considerable transporte sólido, se puede provocar el llenado de los terrenos bajos, para permitir el depósito de los sedimentos y así elevar su nivel. Esta operación se ha hecho mucho en el pasado, eliminando de esa forma extensas áreas de tierras bajas. La concepción actual ya no considera conveniente este tipo de intervención. En algunos casos se debe recurrir al bombeo de las aguas meteóricas, pues no existe la posibilidad de que estas salgan naturalmente. Las primeras instalaciones de este tipo se dieron en el siglo XIX, en Europa, con bombas movidas a vapor.
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La introducción de los motores de combustión interna y posteriormente los motores eléctricos modificaron sustancialmente la capacidad y las características de los sistemas de drenaje que se hicieron cada vez más flexibles y potentes. En el siglo XX, la necesidad de ampliar la frontera agrícola y la necesidad de contrarrestar las enfermedades endémicas que flagelaban la población de las zonas costeras bajas han dado gran impulso a la implementación de sistemas de drenaje, y generaron la construcción de importantes sistemas de drenaje que permitieron el drenaje de vastas áreas.
13. COMPONENTES DE UN SISTEMA DE DRENAJE DRENAJE TÍPICO SON: Canales de campo campo o drenes drenes enterrados; Canales secundarios secundarios y principales, estos canales se caracterizan por ser generalmente profundos, y su fondo se encuentra a cotas inferiores a las cotas del terreno circundante. Generalmente los canales de drenaje no son revestidos, o si deben revestirse para consolidad los taludes, el revestimiento debe ser permeable, de manera a no obstaculizar la entrada del agua contenida en el suelo al canal; protección de las márgenes márgenes de los canales, principalmente principalmente Obras de protección en las confluencias y en las curvas; erosión en el fondo de los canales (saltos de de Obras de control de la erosión fondo) bombeo (no siempre necesarias) Estaciones de bombeo
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14. CLASIFICACION DE SISTEMA DE DRENAJE
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15. ELEMENTOS DE DRENAJE SUBTERRÁNEO Las recomendaciones para el proyecto y construcción del drenaje subterráneo en obras de carretera establecen que el proyecto deberá definir con el nivel de detalle que en cada caso proceda, los sistemas de drenaje subterráneo a disponer, justificando convenientemente su elección y adecuación a cada caso. Se definen a continuación una serie de criterios básicos relativos a los elementos de drenaje subterráneo de más frecuente utilización en obras de carretera. Algunos de ellos son específicos en este tipo de trabajos, mientras que otros son de uso más general; en este último caso se han reflejado los principales aspectos de aplicación dentro del ámbito de este documento.
1) ZANJAS DRENANTES Son zanjas rellenas de material drenante y aisladas de las aguas superficiales, en el fondo de las cuales generalmente se dispone tubería drenante. Las zanjas drenantes se proyectarán para proteger las capas de firme y la explanada de la infiltración horizontal, para evacuar parte del agua que pudiera haber penetrado por infiltración vertical, así como para rebajar niveles freáticos y drenar localmente taludes de desmonte o cimientos de rellenos. Cuando las zanjas drenantes pretendan el rebajamiento del nivel freático, el proyecto deberá determinar la necesidad de efectuar ensayos in situ para conocer el valor de los coeficientes de permeabilidad de los terrenos.
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El agua afluirá a las zanjas a través de sus paredes laterales, se filtrará por el material de relleno hasta el fondo y escurrirá por este, o por la tubería drenante. También podrá acceder por su parte superior, si el sistema de drenaje subterráneo estuviera concebido para funcionar de esta manera. En caso de que no estuviera bien aislada superficialmente podría penetrar agua de escorrentía, lo que deberá evitarse en todo caso. En ocasiones, previa justificación expresa del proyecto, podrán omitirse las tuberías drenantes, en cuyo caso la parte inferior de la zanja quedaría completamente rellena de material drenante, constituyendo un dren denominado ciego o francés, en el que el material que ocupa el centro de la zanja es preceptivamente árido grueso,
2) PANTALLAS DRENANTES Las pantallas drenantes, o pantallas drenantes de borde, son zanjas bastante más profundas que anchas —su anchura no suele superar los veinticinco centímetros (25 cm) — , que se disponen normalmente en el borde de capas de firme o explanada, en cuyo interior se dispone un filtro geo textil, un alma drenantes y generalmente, un dispositivo colector en la parte inferior. Se distinguen dos tipos de pantallas, dependiendo de cuál sea el alma drenante proyectada:
In situ, en las que suele ser material granular. Prefabricadas, en las que el alma drenante se elabora en un proceso industrial.
Aunque las pantallas drenantes requieren una ocupación de espacio en planta comparativamente menor que otras soluciones que procuran objetivos similares, presentan condicionantes de limpieza y conservación más estrictos. En el proyecto se deberá justificar de manera expresa la adecuación de esta solución a la problemática planteada, así como las características y ubicación de las pantallas drenantes, contemplando de modo expreso sus necesidades de limpieza y conservación, y prescribiendo, salvo justificación en contra, que su parte superior sea impermeable. Las pantallas drenantes pueden disponerse en contacto con las capas de firme o muy próximas a ellas. En este caso debe prestarse especial atención a sus condiciones de impermeabilización. MINAS-UNIDAD-PERSEVERANCIA
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El diámetro interior mínimo del dispositivo colector deberá ser de cien milímetros (100 mm). Cuando la sección no fuera circular, ésta deberá permitir la inscripción de un círculo de dicho diámetro. En caso de que se justifique de manera expresa en el proyecto, será posible la reducción del diámetro, o incluso la eliminación del dispositivo colector del fondo, atendiendo a circunstancias excepcionales. La distancia entre arquetas no será superior a cincuenta metros ( 50 m) salvo justificación expresa en contra del proyecto, efectuada teniendo en cuenta las necesidades de limpieza y conservación del sistema. La construcción de las pantallas drenantes requiere maquinaria específica, en ocasiones con un tren completo de ejecución de las distintas operaciones. En el proyecto deberá definirse el proceso constructivo a emplear, en coordinación con el de las capas que constituyen la sección transversal de la carretera, detallando al menos los aspectos relacionados en el apartado. El proyecto deberá estudiar la estabilidad local de la zanja para el alojamiento de la pantalla y global de las obras, antes, durante y después de la ejecución de las mismas.
3) FILTROS Y MATERIALES DRENANTES Los filtros utilizados más frecuentemente son los rellenos localizados de material drenante y los geotextiles.
Rellenos localizados de material drenante: se estará a lo especificado en el artículo Geotextiles: el Pliego de Prescripciones Técnicas Particulares del proyecto determinará las características que deben cumplir los geotextiles de acuerdo con las prescripciones de los artículos 290 y 422 del PG 3, prestando especial atención a las propiedades relacionadas con los fenómenos de punzonamiento y colmatación.
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Para ciertas aplicaciones específicamente definidas en el proyecto, podría estar indicado el empleo de materiales drenantes, no contemplados en el artículo 421 del PG 3, cuyas características deberán definirse en el Pliego de Prescripciones Técnicas
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Particulares. En determinados casos, para tratar de evitar la colmatación de dichos materiales, puede resultar conveniente disponer además geotextiles u otros elementos de filtro adicional o intermedio.
4) TUBERÍA DRENANTE La tubería drenante es una tubería perforada, ranurada, etc., que normalmente estará rodeada de un relleno de material drenante o un geotextil, y que colocada convenientemente permite la captación de aguas freáticas o de infiltración. Sus características se determinarán de acuerdo con lo especificado en los apartados 420.2.1 y 421.2.2 del PG 3.
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El diámetro interior mínimo de los tubos será de ciento cincuenta milímetros (150mm), salvo justificación en contra del proyecto efectuada teniendo en cuenta las necesidades de limpieza y conservación del sistema. Cuando la sección no fuera circular, esta deberá permitir la inscripción de un círculo de dicho diámetro. Cuando estas tuberías se instalen en zanjas drenantes se estará además a lo especificado en el apartado 3.1.1.
5) COLECTORES Los colectores son tuberías enterradas conectadas a arquetas o pozos de registro, de los que recogen las aguas provenientes de los elementos de drenaje. No son elementos específicos del drenaje subterráneo de las carreteras, ya que aunque pueden conducir caudales provenientes del mismo, suelen recibir otros provenientes del drenaje superficial que normalmente serán muy superiores. En consecuencia, se estará con carácter general a lo especificado para estos elementos en la norma 5.2 IC Drenaje superficial o aquella que la sustituya. En ningún caso se proyectarán colectores perforados, ranurados, con juntas abiertas, etc., para captar directamente aguas del terreno. Cuando las posibles filtraciones desde el colector, pudieran afectar a materiales susceptibles al agua (suelos tolerables con un contenido de yesos, según NLT 115, mayor del dos por ciento (2%), suelos marginales o inadecuados, o rocas que no puedan considerarse estables frente al agua, según se especifica en los artículos 330, 331 y 333 del PG 3), el proyecto establecerá prescripciones complementarias para garantizar su estanqueidad de
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manera especial, tales como sellado de juntas, encamisado de tubos, etc. Cuando el trazado en planta de un colector coincida con el de una zanja drenante, se estará a lo especificado al respecto en el apartado
6) ARQUETAS Y POZOS DE REGISTRO Se estará con carácter general a lo especificado en el artículo 410 del PG 3 y en la norma 5.2 IC Drenaje superficial o aquella que la sustituya.
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El fondo de la arqueta o pozo de registro estará constituido por una solera que garantice su impermeabilidad. Cuando las posibles filtraciones desde los pozos o arquetas puedan afectar a materiales susceptibles al agua (suelos tolerables con un contenido de yesos, según NLT 115, mayor del dos por ciento (2%), suelos marginales o inadecuados, o rocas que no pueden considerarse estables frente al agua, según se especifica en los artículos 330, 331 y 333 del PG 3), la condición de impermeabilidad deberá extenderse a paredes y juntas.
‐
Los detalles necesarios para dar pendientes a la solera, construir conexiones hidráulicas, garantizar la visitabilidad, etc., se proyectarán en general mediante elementos específicos de hormigón (hormigones de forma). Las zanjas drenantes normalmente desaguarán su caudal a través de la tubería drenante alojada en su f ondo, que se prolongará hasta el paramento interior de arquetas y pozos de registro. Para evitar acumulaciones de agua en el contacto entre la zanja y la arqueta o pozo, se proyectará en el fondo de la zanja, al menos en los cinco metros (5 m) más próximos a la arqueta o pozo, una solera de hormigón en la que la tubería drenante se encuentre embebida al menos cinco centímetros (5 cm) al llegar a la sección de inserción (véase figura).
16. Antecedentes de bombeo y desagüe en minas subterráneas Una tarea fundamental en la explotación de minas lo constituía la extracción de las aguas que se generaban en el interior, se tiene conocimientos de laboriosos métodos utilizados para la extracción, en la época romana este problema se solucionó mediante la construcción de galerías de drenaje (a veces de varios kilómetros de longitud) que exigían un buen estudio
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topográfico y maquinaria como la noria, el tornillo de Arquímedes o la bomba de pistones
En la época medieval se solucionaba el problema mediante la conducción de las aguas por las galerías mediante cunetas a unos depósitos de recepción en zonas determinadas, siempre en las zonas mas bajas de la mina; y el desagüe se realizaba mediante tornos de mano para subir las “zacas”, que eran bolsas de cuero capaces de transportar entre 100 y
120 Kgrs, se establecía así un sistema que dividía el recorrido ascendente del agua en tramos, de modo que cada 20 ó 30 metros había un equipo formado por dos o cuatro tiradore s que movían el torno, un “charquero” que era el que llenaba la zaca en el fondo del pozo, y un “amainador” que la
vaciaba
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17. BOMBEO Y DESAGÜE EN MINAS SUBTERRÁNEAS La capacidad de bombeo requerida en las minas subterráneas varía considerablemente. En algunas minas, debe depurarse el agua usada y ser reciclada para atender las necesidades operativas del resto de instalaciones y reducir los costes. En otras, por el contrario, se han de bombear millones de litros de agua cada día de cada año, es indudable que el tamaño e infraestructura de mina va a ser un factor muy a tener en cuenta, y desde luego los grandes avances que han ido apareciendo para esta actividad. El agua que tiene que ser extraída de las minas no es H2O pura, contiene tanto:
Partículas sólidas, entre las que se incluyen finos procedentes de la perforación grandes partículas abrasivas y varios tipos de lodos que pueden resultar dañinos para los equipos que se utilicen para su extracción. Productos químicos, que se encuentran disueltos en el agua de mina, esto productos producen un agua altamente corrosiva que igualmente pueden afectar gravemente a los equipos de bombeo.
El diseño de la red de bombeo o desagüe de una mina subterránea, va a ser muy variable con el transcurso del tiempo, ya que el diseño de una explotación en origen va ser muy definido, pero con el paso del tiempo y con la ampliación del campo de explotación, esta red tendrá que variar ya que comenzará a variar tanto la longitud de las galerías como la profundización, por lo tanto en cada planta habrá un depósito general, y de este en un momento dado será desde donde se bombeará al exterior, pero puede ser que con el paso del tiempo pueda dejarse de bombear al exterior y pueda servir de depósito secundario para bombear a otro principal y si este se sitúa a una cota inferior solo por una conducción por gravedad pase el agua del uno al otro. Podemos en cada caso atender a diferentes tipos de bombeo:
I. Desagüe principal La recogida y extracción de las aguas constituye la instalación de desagüe propiamente dicha, en términos generales el agua se recoge en las galerías, en cunetas practicadas a piso en la base de uno de los hastíales que conforman la galería, lo normal es que vayan hormigonadas y con una pendiente mínima de 1 por 1000, y dirigida esa MINAS-UNIDAD-PERSEVERANCIA
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pendiente hacia unas galerías colectoras que normalmente están situadas unos 4 metros por debajo del piso de la llamada sala de bombas, incluso se puede recoger el bombeo de otras zonas de la mina y se conduce esta agua a este nivel más bajo de bombeo general. Para determinar el volumen de estas galerías colectoras hay que conocer el sistema de funcionamiento del desagüe, y este va a depender del caudal de aporte y si las bombas van a funcionar con o sin interrupción, en principio sería conveniente que las bombas trabajasen a un turno donde haya menor consumo de energía, por lo tanto el volumen delas galerías necesita una capacidad para recoger el caudal de agua de las restantes horas de desagüe parado.
II. Desagüe secundario o auxiliar Este es que se utiliza para enviar el agua a las galerías colectoras principalmente, aunque en algunos casos según al nivel que se realiza lo hacen directamente al exterior, este es muy variable tanto en caudal como la ubicación, por lo tanto las dimensiones de estos depósitos van a ser muy variables y no con tanto detalle en su construcción como los anteriormente descritos; e igualmente el tipo de bombas utilizadas serán muy amplio dentro de las que existen en el mercado dependiendo de la cantidad de agua a desagüar, su calidad, etc; además si es conveniente que sean sumergibles, si tienen que estar alimentadas eléctricamente o por aire comprimido. Estos equipos pueden ser atendidos por alguna persona o incluso se pueden accionar de forma automática mediante la colocación de un sistema de control de nivel. A continuación vamos a ver una serie de posibilades y soluciones que se puedan dar, o casos:
Bombeo por etapas con bombas pequeñas, que normalmente son sumergibles, y que se utilizan para mantener el agua fuera de los frentes de trabajo y para el transporte a estaciones de bombeo secundarias o principales, siempre en el mismo nivel; estás no requieren más que un pequeño sumidero para la captación del agua y pueden ser alimentadas tanto con corriente eléctrica como aire comprimido. Bombeo entre niveles, se emplean bombas sumergibles para el bombeo entre uno a varios niveles, a la estación de bombeo principal más cercana, puede darse el caso que según a la profundidad que esté situada se bombee directamente al exterior. Drenaje de pozos y lugares de trabajo., por cuestiones de trabajo y mantenimiento, no se construyen estaciones de bombeo complicadas tanto en los fondos de pozos y planos, como en otro MINAS-UNIDAD-PERSEVERANCIA
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tipo de labores, se constituyen unas estaciones de bombeo que pueden funcionar sin recibir atención durante periodos de tiempos más largos que en el caso de instalaciones fácilmente accesibles. La capacidad de bombeo requerida varía según las circunstancias, debido a que el lodo se acumula en el fondo sin drenaje natural, es por lo que se utilizan bombas especialmente construidas para trabajar con este material
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18.Ejercicios:
1. En el proyecto de un la verónica se efectuó canaletas trapezoidales de dimensiones como se muestra en la gráfica(1) en ambas partes del túnel para afrontar la acción del agua sobre el túnel, para el sistema de impermeabilización se utilizan láminas de poli cloruro vinilo y a la vez dicho sistema actúa como drenes permanentes a través de agujeros de diámetros de 70mm ubicados a 5 m de altura cada 5m las dimensiones del tunes son 12m por 8.5m además las filtraciones que se dan por dicho agujero llegan hasta el 50% del su diámetro a una velocidad promedio de 1cm/seg. Longitud total del túnel es de 7.50 km y los agujeros están desde la boca del túnel hasta 1/3 del túnel
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Determinar el caudal después de los 1/3 de la longitud total del túnel. SOLUCION Calculo del caudal de cada agujero Área
∗ 7. 0 = 4 /2 = 4 /2 = 19.24
= 1/ Qcaudal de agujero = ∗ 3 Qcaudal de agujero = 19.242 ∗ 1 = 19. 2 4 / Numero de agujeros por cada lado
7500 = 53 = 500 Caudal total que va discurrir es.
= 9620 = 19.234/ 3//∗500 TOTAL
1 ) ∗ 2 = (96203 ∗ 3 ∗ 1000 = 19.240 /
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2. En la construcción túnel de Abancay Curahuasi de una longitud de 2,3Km, y una sección de 11mx7.5m, en el cual en el proceso de excavación hay demasiadas filtraciones de aguas superficiales lo cual se desea bombear el agua con motores atreves de tuberías de acero, desde una profundidad de 100m. para ello se desea calcular la capacidad y la potencia de una bomba para desaguar el túnel con los siguientes características: Para la longitud de 100m con 12 horas/día de trabajo de la bomba 100GPM de caudal permanente, trabajando 24 horas/día 60% eficiencia del motor 371 pies da carga estática total, 3 pulgada diámetro de tubería 100m, constante de fricción para tubería 8 pie/Seg. Velocidad del flujo 1 densidad del liquido (sin unidad) 8.33 lb/gln. Peso especifico del fluido.
a) Calcular la capacidad y la potencia de dicha bomba. b) Se desea bombear el agua desde 100m a superficie. El caudal aforado es de 350GPM; la bomba deberá trabajar solo 10 horas/día, por razones operacionales. Hallar el caudal de bombeo. c) El segundo tramo se bombeara agua con un caudal de 5lt/seg. y velocidad de 4 pie/seg; el diámetro de la tubería es de 2 pulg. Hallar la potencia requerida, si la eficiencia es de 75%. d) Hallar los caudales de transporte de agua para tubos de 2.5, 3 y 6 pulgadas de diámetro si las velocidades son 60, 30 y 15 pie/seg respectivamente en los tramos (1,2, 3). De igual modo, hallar las potencias requeridas para sus bombas, para un pique inclinado, de acuerdo al diseño. Considerar la eficiencia 80% en los tres casos. e)
Finalmente conforme se va avanzando la construcción a una profundidad de 250m se incrementa la filtración el cual se decide desaguar cuyo caudal permanente es de 1.60 metros cúbicos por hora. La bomba a utilizar es de una capacidad de 3 metros cúbicos por hora y trabajara las 24 horas y los 7 días de la semana. Calcular el tiempo de bombeo y el volumen total a desaguar.
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Solución. a) Capacidad para 12 horas Cap. = (100GPM* 60 min * 24 hora)/ (12 hora * 60 min *) = 200GPM PF = ((147.85* 200) / (100 * 32.63)) 1.852 = 178.68 pies PV = 1* 82/2* 32.2 = 0.99 pies PT = 371 +178.68 +0.99 = 550.67 pies HP = 550.67 * 200 * 8.33/33.000*0.6 = 46.33 HP
La capacidad real de la bomba será de 200 GPM. La potencia de 46.33 HP b) Q para 24 horas Cap. = 350GPM X 60min/hora X 24 hora / día = 504,000 gal/día Q para 10 horas = 504,000 gal/día (10hora/día X 60 min/hora) = 840GPM.
c) Carga estática de succión (ces) = 9 pies Carga estática de descarga (ced) = 230 * sen54° = 186.10 pies Carga estática total (cet) = 9+ 186.10 = 195.10 pies PV = 1 x 42/2 x 32.2 = 0.25 pies Q= 5lt/seg. X 60 seg/min)/(3.785lt/gln) = 79.26GPM
2. .
PF = ((147.85 X 79.26)/ (100 x = 231.91 pies PT = 195.10 + 0.25 + 231.91 = 427.26 pies HP = (427.26 X 79.26 X 8.33) / (33.000 X 0.75) = 11.40 HP
d) hallando los caudales transportados por las tuberías de 2.5", 3" y 6" Q= A x V Donde: Q = caudal o gasto; pie ᶟ/ min (CFM) A = Área de la sección; pie² V = Velocidad del flujo; pie/min
Para tubería de 2.5” de diámetro
Q = ( x 1.252 pulg2/143.04 pulg²/pie²) x 60 pie/segx60seg/min Q = 123.54 pieᶟ/min Q = 123.54 pieᶟ/min x 7.48 gln/ pie ᶟ = 924.09GPM "Ces" = 9 pies Ced = 300 pie x sen 60° = 260 pies Cet = 9 pies + 260 pies = 269 pies MINAS-UNIDAD-PERSEVERANCIA
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PV = W x V²/2g = 1 x 60 2/2 x 32.2 = 55.90 pies PF = ((147.85 X Q) / (C x PF = ((147.85 X 147.86) / (100 X ) =21,531.41 PT = 269+ 55.90 +21,531.42 =21856.32 pies HP = PT * Q * W/33,000* e HP = (21,856.32 x 147. 86 x 8.33)/ (33,000 x0.80) =1,020 HP
..1. .
Para tubería de 3” de diámetro
Q = x 1.52 x 30 x 60/143.04 = 88.95 pie ᶟ/min Q =88.95 x 7.48 = 665.35 GPM Cet = 269 pies PV =1 x 302/2 x 32.2 =13.98 pies
= 147.85∗665.35/100∗3.. = 1655.22 = 269+13.98+1655.22 = 1938.20 20665.3858. 3 3 = 1938.330000. 0 = 407 " ∗ 15∗60∗7.48 ∗3 = 143.04 = 332.67 = 269 15 = 1∗ 2∗32.2 = 3.50 8 5∗1330. 7 0 = 147. 100∗6.. = 204.23 = 269+3.50+204.23 = 476.73 3∗1330.780∗8. 3 3 = 476.733000∗0. 0 = 200 Para tubería de
e)
de diámetro
Volumen de agua acumulado
.= ∗1.5²∗250 = 1767.15 /ℎ 3 1.6/ℎ 3/ℎ 1.6/ℎ 1.40/ℎ, 0.16/ℎ
Como el volumen de la bomba es de y el caudal de filtración es de , quiere decir que teóricamente la bomba desaguara: -
=
de agua acumulada.
del agua de filtración.
Luego el tiempo que demorara en desaguar el túnel será de:
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/ℎ /ℎ
1767.15 filtración.
/1.40
= 1262.23 horas del agua acumulada y de
302.94 horas/24horas/día=12.62 días el volumen total en desaguar en ese tiempo será de:
1.60/ℎ
Acumulado: 1767.15 Filtración
*1262.23hora = 2019.59
TOTAL DE AGUA = 3786.74
.
3. En el túnel karkatera, a medida que se va profundizando la construcción del túnel a una profundidad de 300m se tiene presencia de agua subterránea lo cual por cuestiones de seguridad se decide evacuar el agua con una bomba de pistón para evitar la inundación del túnel que es lo inadecuado para el trabajo. a) Calcular el caudal, si la bomba es de es de doble acción dúplex, diámetro del cilindro 6pulgadas, longitud de carrera 12 pulgadas, reducción por fugas 0.96ciclo por minuto o rpm 90. b) Si la carga total es de 160 pies el caudal es de 508GPM, la eficiencia de la bomba es de 60% y el peso del agua es de 8.34lb/gln, hallar la potencia mínima que se requerirá para operar la bomba. c) Una bomba de desagüe debe llevar 2.2 /min de agua del túnel , de peso 1040km/m3, a una altura de 65m. la eficiencia de la bomba es de 74%. Hallar la potencia de la bomba. d) Una bomba dúplex de doble acción de 5pulg de diámetro y 10 pul de longitud del cilindro, está impulsado por un cigüeñal que da 120 rpm, si las fugas de agua son de 15%, cuantos galones por minuto debe entregar la bomba? Si el peso del agua es de 8.34lb/gln, la carga total es de es de 120pies y la eficiencia de la bomba es de 60%, cuál será la potencia mínima requerida.
Solución a)
b)
c)
= ∗ ∗ ∗ L∗F/231 = 4∗90∗3 ∗ 12∗ 0.23196 = 508 = ∗ ∗ℎ = . ∗ . = 581
= 8.34*508*160 = 677875pie-lb/gln HP = PT*Q*W/(3300*e) = 677875/(33000*0.6) = 34.24hp
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. = 1040/ ∗ . / = 8.68/ h = 65m*3.28pie/m = 213 pies. HP = 8.68*581*213/(33000*0.74) = 44Hp d)
= 4∗120∗2.5 ∗ 10∗ . = 346.8 ℎ = 8.34∗346.8∗ 33000∗0. 120 60 = 17.53 = ∗ ∗ 33000∗
4. En la mina el teniente se ha inundado uno de los piques de 100m de profundidad y se desea sacar el agua mediante una bomba con las siguientes características. 12 horas por día de trabajo de la bomba de 100 GPM de caudal permanente, trabajando 24 horas por día, 60% de eficiencia del motor, 371 pies de carga estática total, 3 pulgadas de diámetro de la tubería, 100 constante de fricción para tubería, 8pies /seg de velocidad del flujo, densidad del líquido 1, 8.33 lb/gln de peso específico del fluido. a) Calcular la potencia y la capacidad de la bomba. b) Calcular el caudal del bombeo si se desea bombear el agua desde el nivel 3920 a superficie, el caudal aforada es 350GPM, y la bomba trabaja solo 10 horas por día por razones operacionales. c) Calcular la potencia requerida de la bomba en el pique teniente 415 que bombeara agua con un caudal de 5Lt/seg, 4pies/seg de velocidad, diámetro de la tubería es de 2 pulgadas, si la eficiencia es de 75%.
Solución: a) Capacidad para 12 horas=(100 GPM*60min*24hr )/12hr*6omin Capacidad para 12 horas =200GPM Pf=((147.85*200)/(100*32.63))1.852=178.68 pies Pv=1*(8)2/2*32.2=0.99 pies Pt=371+ 178.68+0.99=550.67 pies
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Hp=550.67*200*8.33/33000*0.6=46.33 Hp b) Q para 24 hr=350 GPM*60 min /hr*24 hr/dia=504000 gal/dia Q para 10 hr= (504000 gal/dia)/ (10 hr/dia*60min/hr)=840 GPM
c) Carga estática de succión(ces)= 9pies Carga estática de descarga (ced)=230*sen54=186.1 pies Carga estática total (set)= 9+186.10=195.1 pies PV=1*(4)2/2*32.2 = 0.25 pies
=
∗ .t
= 79.26
.∗..) ∗
Pf= (
1.852
=231.91 pies
Pt=195.10 + 0.25+231.91= 427.26 pies Hp=(427.26*79.26*8.33)/(33000*0.75)=11.40 Hp
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5. En la compañía minera Anama se tiene una bomba de agua que proporciona un caudal de 1200 metros cúbicos por hora, tiene una tubería de aspiración de 400 mm y una de impulsión de 375 mm, el vacuometro conectado en la tubería de aspiración situado 80 mm por debajo del eje de la máquina que marca una depresión de 2 metros de la columna de agua y el manómetro situado 800 mm por encima del eje de la bomba marca una sobrepresión de 12 m de columna de agua.
a) Calcular la altura útil que da la bomba
Solución:
− a) = ∗ + + + = 0.3333/(Ca /2g Q= 2
= 3.018/ Vs= .∗ = 2.6526 / Ve= .∗
;
;
= 0.4643 = 0.3586
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19.CONCLUCIONES
El agua se presenta en toda excavación subterránea como producto de los depósitos y acuíferos subterráneos que se encuentran en el proceso de excavación del túnel así como también en épocas de lluvia. Se ejecutan trabajos de impermeabilización para evitar la infiltración de3 aguas subterráneas en el techo de los tu8neles así como en las paredes laterales del túnel. Es posible aplicar aplicar diferentes técnicas de evacuación de aguas que no perjudiquen las operaciones de desarrollo y explotación de un túnel. Ya sea un túnel en minería (galería) o para obras civiles. Cuya técnica más utilizada en la evacuación de aguas subterráneas es el de canaletas o canales ubicadas en las partes laterales del túnel. El drenaje es un aspecto importante, tanto en la etapa de construcción de un túnel como durante su posterior explotación.
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