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Galerías filtrantes
1
Galerías filtrantes
2
Introducción
La disponibilidad de agua a nivel mundial es de
aproximadamente 1,386 millones de km3
, de los
cuales el 97.5% es agua salada y sólo el 2.5%,
es decir 35 millones de km3
, es agua dulce. Este
porcentaje se localiza principalmente en ríos,
lagos, glaciares, mantos de hielo y acuíferos del
mundo. Del agua dulce existente en el planeta,
30% corresponde a agua subterránea que
resulta una fuente de abastecimiento para
arroyos, manantiales y humedales, así como un
recurso fundamental para satisfacer las
demandas de agua para consumo humano y
uso agropecuario principalmente (4).
El aprovechamiento de las aguas subterráneas
se puede realizar a través de una estructura que
capta el agua que fluye en los poros del
subsuelo. Este tipo de aprovechamiento crea un
cono de depresión, que se extiende hacia los
lados, que resulta ser menos acentuado cuanto
más distante se encuentre del punto de
extracción.
Las captaciones pueden agruparse en: a)
verticales, b) horizontales y c) mixtas. Dentro del
grupo de las captaciones verticales se tiene los
pozos excavados, pozos hincados y pozos
perforados. En el caso de las captaciones
horizontales se cuenta con las galerías, zanjas o
trincheras y drenes; y entre las captaciones
mixtas se tiene a los pozos radiales y otras
combinaciones entre los pozos de tipo vertical y
horizontal (3).
La presente ficha aborda lo relacionado con
galerías filtrantes con sistema de captación
horizontal.
Definición
La galería filtrante es una estructura conformada
por un sistema de drenaje (por medio de tubos
perforados y casi horizontales), enterrado,
rodeado y cubierto por un estrato o filtro de
materiales graduados que capta el agua
adyacente a una fuente de recarga o acuífero
y/o de los cauces de los ríos, para conducirla
por gravedad y almacenarla en una caja de
captación donde puede ser bombeada o
derivada por gravedad.
Objetivos
• Captar agua subterránea y de los lechos de
los cauces permanentes e intermitentes.
• Captar agua subsuperficial o flujo lateral de
las laderas.
• Extraer y/o captar agua de mejor calidad y
libre de sedimentos a través del paso por
materiales graduados.
Ventajas
• Son fáciles de excavar e instalar en
materiales no consolidados.
• Permiten aprovechar los escurrimientos sub-
superficiales o subálveos.
• Disponer de agua cuando el caudal de los
ríos es mínimo o nulo.
• Permiten obtener agua de mejor calidad.
Desventajas
• Son vulnerables al azolvamiento si no se
protegen contra inundaciones.
• Requieren una alta inversión inicial.
• Requieren de mantenimiento periódico.
Galerías filtrantes
3
Condiciones para establecer una galería
filtrante y elementos básicos a considerar
A continuación se mencionan las condiciones
que se deben cumplir para establecer una
galería filtrante, como cualquier otra obra civil,
para evitar retrasos en la construcción, pérdidas
económicas y conflictos sociales con la finalidad
de guardar la armonía social y ambiental, y
sobre todo tener el impacto productivo deseado.
Legal. Permisos de construcción en zona
federal y dictamen de impacto ambiental emitido
por la autoridad competente o en su caso,
permiso de construcción o acta de donación del
terreno firmado y sellado por la autoridad
agraria.
Social. Acta de aceptación de la obra por la
comunidad o grupo de beneficiarios.
Técnico. Estudios que justifiquen la aptitud del
terreno para la construcción, los cuales son:
estudio topográfico, reconocimiento geológico
del sitio, estratigrafía, granulometría y estudio
hidrológico e hidráulico del sitio propuesto.
Ubicación
• Los lugares más convenientes para la
construcción de galerías filtrantes, son las
márgenes planas de los cauces y cuerpos de
agua, donde el material que forma la zona de
captación, en el lecho del río, tenga una
granulometría que permita trabajar la galería
como un filtro lento.
• La galería debe ubicarse lo más alejada
posible de las fuentes de contaminación tales
como: lagunas de estabilización, filtros
percoladores, letrinas, descargas
industriales, etc.
• El sitio donde se tiene previsto la
construcción de la galería filtrante no debe
estar sujeto a erosión, ya que pondría en
peligro al dren colector, adelgazando el
espesor de la capa del suelo que la protege.
• La distancia que debe existir entre la galería
y la fuente de recarga superficial para evitar
la contaminación bacteriana debe ser mayor
a 15 m de acuerdo a la recomendación de la
Organización Mundial de la Salud (OMS)1
.
• La galería filtrante se ubicará en dirección
perpendicular de las aguas subterráneas,
pero en el caso de que exista una recarga
constante de una fuente superficial, podrá
optarse por una dirección paralela a esta.
Económico. Que cumplan con los requisitos de
rendimiento máximo de mano de obra,
maquinaria y equipo, precios máximos de
referencia de acuerdo al tabulador de la entidad
normativa y que la relación beneficio/costo sea
mayor a la unidad.
Generalmente, la profundidad de la galería
estará restringida por la presencia de material
rocoso y costos de excavación. El profundizar
más allá de 5 o 6 m significa ingresar excavando
mediante terraplenes, si es con maquinaria, o
por escalones, si es manualmente. También
implica apuntalado de paredes y muchas veces
el achique por presencia de agua.
Ambiental. Se procurará que la estructura
propuesta no provoque cambios considerables
en la zona de construcción, como son cambio de
uso de suelo, deforestación o afectaciones de
áreas naturales protegidas o de especies en
peligro de extinción.
1
http://www.bvsde.paho.org/tecapro/documentos/agua/igal
eriasf.pdf
Galerías filtrantes
4
Condición del acuífero
Galerías que comprenden todo el espesor del
acuífero
Acuífero con escurrimiento propio
Considera que la masa de agua se desplaza en
un solo sentido, a través del estrato permeable,
y es interceptada por la galería (
Figura 1).
Figura 1. Galería que comprende todo el espesor
del acuífero y ubicada en un acuífero con
escurrimiento propio. (Fuente: CEPI, 2002).
Acuífero con recarga superficial
El concepto es similar al anterior, a excepción
que el agua de recarga o de reposición es
suministrada por un curso o cuerpo de agua
superficial (Figura 2).
Figura 2. Galería ubicada en acuífero con recarga
superficial y comprende todo el espesor. (Fuente:
CEPI, 2002).
Galerías que comprenden la parte superior
del acuífero
Está representado por acuíferos profundos y de
gran potencia, en donde la obra de captación se
ubica en la parte superior del acuífero y es
abastecida por ambos lados.
Galerías en acuífero con escurrimiento
propio
La galería recolecta los escurrimientos propios
del acuífero por ambas caras del dren (Figura
3).
Figura 3. Galería ubicada en acuífero con
escurrimiento propio y comprende la parte
superior. (Fuente: CEPI, 2002).
Galerías en acuífero con recarga superficial
La galería recolecta los escurrimientos tanto del
acuífero como del agua proveniente de un curso
o cuerpo superficial (Figura 4).
Figura 4. Galería ubicada en acuífero con
recarga superficial y comprende parte la
superior.
Superficie impermeable
Estrato permeable
Colector
Terreno natural
Superficie impermeable
Estrato permeable
Colector
Fuente de agua
Terreno natural
Estrato permeable
Terreno natural
Colector
Estrato permeable
Fuente de agua
Terreno natural
Colector
Galerías filtrantes
5
Galerías en acuíferos con recarga superficial
La característica de estas obras es que la
galería se encuentra en un acuífero ubicado por
abajo de la fuente de agua que la recarga, no
produciéndose abatimiento del nivel freático del
agua. Estos tipos de captaciones se construyen
en fondos de lagos, lagunas y ríos.
Galería en acuífero de gran espesor
El estrato impermeable se encuentra ubicado a
mayor profundidad con respecto al lugar donde
se encuentra ubicada la galería (Figura 5).
Figura 5. Galería ubicada en acuífero de gran
espesor y con recarga superficial. (Fuente: CEPI,
2002).
Galería en acuífero de poco espesor
El estrato impermeable se encuentra ubicado
por debajo del dren (Figura 6).
Figura 6. Galería en acuífero con recarga
superficial y ubicado en acuífero de poco
espesor.
Elementos básicos a considerar
La selección entre una galería que comprenda
todo el espesor de un acuífero o que sólo
aproveche la parte superior del mismo,
depende: del espesor del acuífero, de la
permeabilidad del suelo, del equipo disponible
para hacer la excavación, de las condiciones
naturales del área disponible y, sobre todo, de la
demanda de agua.
En caso de un acuífero muy delgado, se
recomienda colocar el dren en el fondo para
extraer todo el caudal que escurre por él.
En el caso de acuíferos de mediano espesor,
vale la pena analizar si es más económico
efectuar una excavación que comprenda todo el
espesor del acuífero o solamente la parte
superior, lo que conducirá a obtener un menor
rendimiento por unidad de longitud de galería.
Diseño
La galería filtrante se puede ubicar en dirección
perpendicular al flujo, pero en caso de que exista
una recarga constante de una fuente superficial,
podrá optarse por una dirección paralela al
mismo.
Los parámetros que influyen en el rendimiento
de las galerías filtrantes son: conductividad
hidráulica, espesor del acuífero y gradiente
hidráulico. De estos tres parámetros, el que
influye directamente en todos los tipos de
galerías es la conductividad hidráulica y
depende de factores como: a) forma, disposición
y tamaño de los granos del material filtrante del
acuífero y b) viscosidad y densidad del fluido.
De acuerdo a experiencias y situaciones
hidrográficas donde opera el componente de
conservación de suelo y agua, se han construido
Colector
Estrato permeable
Superficie impermeable
Colector
Estrato permeable
Galerías filtrantes
6
galerías filtrantes en cauces de arroyos
intermitentes donde se emplea una estructura
derivadora para elevar el tirante y permitir el
filtrado del agua en la capa subyacente de
materiales graduados, para posteriormente ser
conducida por gravedad a la zona de demanda.
Dada esta condición, la mayoría de las galerías
construidas se ubican en la clasificación de
galerías en acuífero con recarga superficial y de
poco espesor.
Para el diseño del dique se seguirá el mismo
procedimiento empleado en la proyección de
una presa de gravedad, con el detalle que el
anclaje puede ser más profundo con un delantal
que llegue a la zona impermeable o material
parental.
Para su construcción se deben llevar a cabo los
siguientes estudios y/o procedimientos:
• Reconocimiento de campo para la
ubicación de sitios adecuados, apreciar el
relieve, el afloramiento de rocas, la
proximidad de posibles focos de
contaminación y anticipar estudios
especializados que se puedan requerir.
• Plano topográfico de la zona y perfiles
transversales.
• Plano geológico y perfil estratigráfico.
• Mapa de niveles de las aguas
subterráneas y su variación en el año
hidrológico.
• Parámetros hidrogeológicos
determinados por ensayos de bombeo.
• Análisis físico-químico y bacteriológico
del agua.
Diseño de una galería filtrante en acuífero
con recarga superficial y de poco espesor
Elementos para el diseño
Para el diseño de galerías de filtración se
dispone de varios métodos de cálculo: unos
deducidos a partir de la ecuación de Dupuit y
otros identificados con el apellido del científico
que lo desarrolló.
Considerando que el proyectista de pequeñas
obras de abastecimiento tiene que diseñar una
galería de filtración con base en su experiencia,
y por lo general, sin contar con un estudio
hidrogeológico detallado, resulta una buena
práctica realizar los cálculos por medio de
diferentes métodos, variando los parámetros
dentro de un rango razonable de magnitud, para
luego seleccionar los resultados más probables.
El procedimiento de emplear diferentes modelos
en el diseño de la galería filtrante, permite al
proyectista identificar los parámetros o factores
de mayor influencia. Al efecto, en las
formulaciones, es necesario tener en cuenta las
características del acuífero y las características
del dren.
Las características del acuífero se identifican por
los siguientes parámetros con sus respectivos
símbolos y dimensiones:
• Conductividad hidráulica o permeabilidad: kf
(m s-1
). Es la facilidad con la que un material
permite el paso del agua a través de él, y
está representado por el volumen de agua
que escurre a través de un área unitaria de
un acuífero bajo un gradiente unitario y por
unidad de tiempo. También se le conoce
como coeficiente de permeabilidad (Cuadro
1).
Galerías filtrantes
7
• Profundidad del acuífero: H (m).
• Transmisividad T=kf*H (m2
s-1
). Caudal a
través de una sección de acuífero de ancho
unitario bajo un gradiente hidráulico unitario.
Se expresa como el producto de la
conductividad hidráulica por la profundidad
del acuífero.
• Espesor dinámico del acuífero en el punto de
observación: Hb (m).
• Espesor dinámico del acuífero en la galería:
Hd (m). Espesor del acuífero medido entre el
nivel de agua del dren de la galería y la cota
inferior del acuífero.
• Pendiente dinámica del acuífero: i (m/m).
• Porosidad efectiva: S (adimensional).
Permeabilidad de un medio poroso a un
fluido que ocupa solo una parte del espacio
poroso, estando el resto ocupado por otros
fluidos. Es una función de la saturación.
• Radio de influencia del abatimiento: R (m).
• Distancia entre la galería y el pozo de
observación: L (m).
• Distancia entre la galería y el punto de
recarga: D (m).
En lo que respecta a la galería de filtración, las
principales características físicas, con sus
respectivos símbolos y dimensiones son:
• Radio del dren: r (m).
• Tiempo de extracción del agua de la galería:
t (s).
• Abatimiento del nivel del agua a la altura de
la galería: s (m).
• Tirante mínimo de agua por encima del lecho
del curso o cuerpo de agua superficial: a (m).
• Profundidad del estrato impermeable con
respecto a la ubicación del dren: b (m).
• Profundidad de ubicación del dren con
respecto al fondo del curso o cuerpo de agua
superficial: z (m).
• Carga de la columna de agua sobre el dren:
pd (m).
Adicionalmente, se tiene el caudal de
explotación de la galería de filtración y que
puede ser:
• Caudal unitario por longitud de dren: q (m3
/s-
m).
• Caudal unitario por área superficial: q’ (m3
/s-
m2
).
La fórmula presentada por Darcy en 1856 hizo
posible el tratamiento matemático del
movimiento del agua subterránea y Dupuit,
aparentemente, fue el primero en aplicar este
tipo de análisis a la hidráulica de pozos,
asumiendo la existencia de una isla circular
asentada en una formación de características
homogéneas y en cuyo centro se ubica el pozo.
Cuadro 1. Conductividad hidráulica de algunos
materiales.
Permeabilida
d (mm/día)
Calificación
Calificación
del acuífero
Tipo de
material
10
-6
a 10
-4
Impermeable Acuicludo
Arcilla
compacta,
Pizarra,
Granito.
10
-4
a 10
-2 Poco
Permeable
Acuitardo
Limo
Arenosa,
Limo, Arcilla
Limosa.
10
-2
a 1 Algo Permeable
Acuífero
pobre
Arena Fina,
Arena
Limosa,
Caliza
Fracturada.
1 a 10
2.5
Permeable
Acuífero de Arena
Limpia,
Grava y
arena, Arena
Fina.
regular a
bueno
10
2.5
a 10
5
Muy Permeable
Acuífero
excelente
Grava
Limpia.
Fuente: CEPI, 2002.
Nota:
Acuicludo: Contiene agua en su interior, incluso hasta la saturación, pero
no la transmite.
Acuitardo: Contiene agua y la transmite muy lentamente.
Acuífero: Almacena agua en los poros y circula con facilidad por ellos.
La fórmula de Dupuit representa el cálculo
Galerías filtrantes
8
clásico de una galería de filtración. Los
supuestos básicos son:
• Flujo simétrico hacia una zanja que llega
hasta la napa impermeable, es decir, que
corta el acuífero hasta el fondo del mismo
• Las líneas de flujo son horizontales con
equipotenciales verticales
• La pendiente de la superficie impermeable,
que define la parte inferior del acuífero, es
pequeña en el área cercana a la galería.
Diseño
Las galerías que comprometen la parte superior
del acuífero, consideran que la ubicación del
dren (por debajo del nivel natural de la napa de
agua), en relación con el espesor del acuífero,
es pequeña. Es decir, la relación profundidad al
estrato impermeable (b) contra la profundidad al
dren (z) es mayor a 10:
𝑏
𝑧
> 10
Las ecuaciones para los acuíferos con
escurrimiento propio y con recarga superficial,
aplicadas en el presente caso, son:
Galerías ubicadas en la parte superior del
acuífero con escurrimiento propio
La ecuación general para estimar el gasto que
gobierna este tipo de galería (Figura 7) se
menciona a continuación:
𝑞 =
!∙!!∙!
!"∙
!
!
……………………………………… (1)
Para obtener el radio de influencia R, se emplea
la ecuación siguiente:
𝑅 =
!∙!
!∙!!
!.!
!
……………………………………..(2)
Sustituyendo “R” en la ecuación 1, se tiene:
𝑞 =
!∙!!∙!
!"∙
!∙!
!∙!!
!.!
!∙!
……………………………(3)
La ecuación 3 se resuelve por aproximaciones
sucesivas. El caudal máximo, que puede ser
extraído, se obtiene cuando el cono de
abatimiento de la napa de agua (s), alcanza la
parte superior del dren entubado. Para resolver
dicha ecuación se recomienda el siguiente
procedimiento:
• El largo de la galería, la profundidad, la
conductividad hidráulica (Kf), la pendiente del
acuífero (i) y el abatimiento de la napa de
agua a la altura de la galería (s), son valores
conocidos.
• Al resolver por aproximaciones sucesivas, se
va proponiendo “q” y se compara con el “q”
calculado, hasta que la diferencia entre
ambos sea mínima o aceptable.
Figura 7. Galería que comprende la parte superior
del acuífero con escurrimiento propio.
La ecuación de Hooghoudt fue desarrollada para
el cálculo de drenes paralelos y permite
determinar el caudal específico por área
Galerías filtrantes
9
superficial y expresa el caudal unitario por área
superficial (Figura 8).
Figura 8. Galería con drenes paralelos que
comprende la parte superior del acuífero.
𝑞!
=
!∙!!"#"$%∙!∙!!!∙!!"##$%"∙!!
!!
! …………………….. (4)
A su vez:
𝑑 =
!!
!∙ !!!!"
……………… ……………… ….(5)
𝐹ℎ =
!!!!"∙ !
!
!∙!"∙!!
𝐹𝑟 = 𝑙𝑛
!"
!∙!
!
Donde:
d = Profundidad equivalente (m).
Dd = Separación entre drenes (m).
Hd= Espesor dinámico del acuífero en la galería
(m).
Para relaciones de Dd/Hd menores a 3.18, la
deducción de los valores de Fh y Fr se debe
calcular para una profundidad Hd igual a
Dd/3.18. En el Anexo 1, se presentan valores de
d para un radio de 0.1 m. El caudal total de
drenaje es igual al área definida por el
espaciamiento entre drenes y la longitud del
mismo.
Galerías ubicadas en la parte superior del
acuífero con recarga superficial
Acuífero con recarga superficial: La ecuación
que gobierna esta situación es similar a la
anterior, con la única diferencia que el radio de
influencia de la galería (R) es conocido y está
representado por la distancia a la fuente de
recarga (D) (Figura 9):
𝑞 =
!∙!!∙!
!"
!
!
……………………………………… (6)
Figura 9. Galería que comprende la parte superior
del acuífero adyacente a una fuente de recarga
superficial.
Galerías en acuíferos con recarga superficial
Galería en acuífero de gran espesor
Se puede considerar a un acuífero de gran
espesor, cuando la relación profundidad del dren
al estrato impermeable, versus profundidad de
ubicación al dren, es mayor o igual a 10, (Figura
10).
!
!
≥ 10 , la ecuación aplicada en el presente
caso es:
𝑞 =
!∙!!!!∙ !!!
!"
!∙!
!
……………………………….. (7)
Galerías filtrantes
10
Figura 10.Galería en acuífero de gran espesor
con recarga superficial.
Las galerías ubicadas en acuíferos con recarga
superficial, inicialmente producen el doble de
agua que las galerías situadas adyacentes al
cuerpo de agua, pero después de un tiempo son
afectadas por el régimen de sedimentación que
altera el valor de la conductividad hidráulica, por
eso se recomienda aplicar la ecuación deducida
a partir de la ecuación teórica anterior:
𝑞 =
!∙!!!!∙ !!!
!∙!"
!.!∙!
!
……………… ……………… (8)
Galería en acuífero de poco espesor
Se considera a un acuífero de poco espesor,
cuando la relación profundidad del dren al
estrato impermeable, versus profundidad al
dren, es menor a 10 (Figura 11).
!
!
< 10.
Figura 11. Galería en acuífero de poco espesor
con recarga superficial.
La ecuación aplicada en el presente caso y
obtenida por el método de las imágenes es:
𝒒 =
𝟐∙𝝅∙𝒌 𝒇∙ 𝒛!𝒂
𝑳𝒏
𝟐∙𝒛∙ 𝒛!𝒃
𝒓!𝒃
……………… ……………………… (9)
Al igual que para el caso anterior, se propone el
empleo de la siguiente ecuación:
𝒒 =
𝟐∙𝝅∙𝒌 𝒇∙ 𝒛!𝒂
𝟒!𝑳𝒏
𝟏.𝟏∙𝒛∙ 𝒛!𝒃
𝒓!𝒃
……………………..…………… (10)
Diseño de los elementos de una galería
Diseño del conducto colector
En el diseño del conducto colector de la galería,
se deben considerar los aspectos siguientes:
• Sección con capacidad suficiente para que
fluya el caudal de diseño.
• Mínimas pérdidas por fricción.
• Área de las aberturas del dren que faciliten el
flujo de agua del acuífero hacia el conducto.
Diámetro
El diámetro mínimo a utilizar es el que garantice
el escurrimiento del caudal de diseño con un
tirante no mayor al 50%, pero en ningún caso la
tubería deberá tener menos de 200 mm. Este
Galerías filtrantes
11
diámetro facilita la limpieza y mantenimiento de
los drenes.
En casos de galerías muy largas, es posible
usar distintos diámetros, teniendo en cuenta que
en los tramos iníciales no es necesaria una alta
capacidad de conducción.
En el diseño de este tipo de conductos, los
requisitos a cumplir en la alternativa más
eficiente de las secciones circulares, se
sintetizan en los siguientes puntos, para
posibles alternativas (suponiendo D) ya sea en
tamaños comerciales y para secciones
preconstruidas, la relación 𝑘 =
!
!
debe ser menor
o igual a 0.5, porque la tubería deberá conducir
con un tirante no mayor al 50%.
• Escurrimiento tranquilo donde el tirante
normal sea mayor al tirante crítico (d >
dc), para un régimen de la corriente de
fácil control.
• Velocidad media (v) entre una velocidad
mínima (vmín = 0.6 m s-1
) y una máxima
(vmáx =0.9 m s-1
).
En el Cuadro 2 y la Figura 12 se muestran las
características geométricas del conducto.
Cuadro 2. Ecuaciones para el cálculo de las
características geométricas de la sección circular
del canal o conducto.
Intervalo 𝟎 ≤
𝒅
𝑫
≤ 𝟏
Ángulo en Radianes (𝜃) 𝜃 = 2 ∙ 𝐶𝑜𝑠!!
1 −
2 ∙ 𝑑
𝐷
Ancho de la Superficie
Libre del Agua (T)
𝐷 ∙ 𝑆𝑒𝑛
𝜃
2
ó 2 ∙ 𝑑 𝐷 − 𝑑)
Área Hidráulica (A)
𝐷!
8
𝜃 − 𝑆𝑒𝑛𝜃
Perímetro Mojado (P)
𝐷 ∙ 𝜃
2
Figura 12. Características geométricas de la
sección circular del canal o conducto.
Generalmente la metodología utilizada en el
diseño hidráulico de canales es la propuesta por
Manning, la cual calcula la velocidad del agua y
el gasto que pasa por el conducto con las
siguientes ecuaciones:
𝑣 =
!
!
∙ 𝑠
!
! ∙ 𝑟
!
! ……………… ……………….. (11)
𝑄 = 𝑞 ∙ 𝐿……………… ………………..……..(12)
Donde:
Q= Gasto del conducto (m3
s-1
)
q= Gasto unitario (m3
/s/m).
L= Longitud total del conducto (m).
n= Coeficiente de rugosidad de Manning
(adimensional), Cuadro 3.
s= Pendiente del conducto (m/m).
A= Área Hidráulica (m2
).
r= Radio hidráulico (m)
Al multiplicar la ecuación 11 por el área
hidráulica, se obtiene el gasto (Q):
𝑄 = 𝐴 ∙
!
!
∙ 𝑠
!
! ∙ 𝑟
!
! . ………………………… (13)
El diseño de una sección de canal de tipo
circular se realiza por tanteos con ayuda de una
plantilla de cálculo.
Galerías filtrantes
12
Cuadro 3. Valores de coeficiente de Rugosidad
de Manning para tuberías de diferente material.
Material
Valores
Mínimo Normal Máximo
Concreto 0.013 0.017 0.02
Asbesto Cemento 0.009 0.01 0.011
Polietileno o PVC 0.007 0.008 0.009
Fierro fundido 0.011 0.014 0.016
Acero remachado en
espiral
0.013 0.015 0.017
A continuación, se muestran los pasos a seguir
para el diseño hidráulico del conducto de la
galería filtrante, mostrándose en los Cuadros 4 y
5 la plantilla de cálculo2
:
• Se propone un diámetro del conducto.
• Se calcula el tirante con la relación 𝑘 = 𝑑/𝐷′,
teniendo en cuenta que k debe ser menor o
igual a 0.5; en este caso se utiliza el 0.5,
porque representa el tirante al 50%.
• Se calcula el ángulo (θ), que para este caso
será igual o muy cercano a 180° ó π
radianes.
• Se calcula el ancho de la superficie libre del
agua
• Se calcula el área hidráulica.
• Se calcula el perímetro de mojado.
• Con los valores anteriores de área y
perímetro se obtiene el radio hidráulico.
• Con la ecuación de Manning se obtiene la
velocidad del agua que pasa por el conducto,
cuidando de no sobrepasar las restricciones,
cuando la velocidad se encuentre dentro de
dicho intervalo, se acepta el valor de D
propuesto y se procede al afine del tirante.
Cuadro 4. Alternativas para el diseño del canal.
Q,	n,	s	Son	
valores	
conocidos	 	
	
1	 2	 3	 4	 5	 6	 7	 8	
Diámetr
o	
Tiran
te	
Ángulo	
Ancho	
de	la	SLA	
Área	
Perí
metr
o	
Radio	
hidráulic
o	
velocidad	
D	 d	 u	 T	 A	 P		 R	 v	
(m)	 (m)	
(radian
es)	
(m)	 (m
2
)	 (m)	 (m)	 (m/s)	
Se	
propon
e	
0.5/
D	
2 ∙ 𝐶𝑜𝑠!!
	
1
−
2 ∙ 𝑑
𝐷
	
𝐷
∙ 𝑆𝑒𝑛
𝜃
2
ó 	
2
∙ 𝑑 𝐷 − 𝑑) 	
𝐷!
8
𝜃
− 𝑆𝑒𝑛𝜃 	
𝐷 ∙ 𝜃
2
	
𝐴
𝑃
	
1
𝑛
∙ 𝑠
!
! ∙ 𝑟
!
!	
	 	
	 	 	 	 	
0.6	m/s	≤	v	
≤	0.9	m/s	
Fuente: (2)
Cuadro 5. Afine de tirante.
Q,	n,	s	Son	valores	
conocidos	
D	=	Valor	obtenido	en	el	cuadro	
anterior.	
1	 2	 3	 4	 5	
Tirante	
Velocid
ad	
Gasto	 Velocidad	
Diferencia	entre	V2	
y	v	
d	 V2	 Q2	 v	
%	
(m)	 (m/s)	 (m
3
/s)	 (m/s)	
Se	
propone	
1
𝑛
∙ 𝑠
!
! ∙ 𝑟
!
!	
𝑣! ∙ 𝐴	
𝑄
𝐴
	 	
Fuente: (2)
Para el afine del diseño se prosigue:
• Se propone un tirante, comenzando con el
obtenido de la primera tabla de cálculo.
• Se obtiene la velocidad con la ecuación de
Manning.
• Se calcula el gasto al multiplicar la velocidad
obtenida por el área hidráulica.
• Se obtiene la velocidad con el gasto que se
tiene como dato, dividiéndose por el área
hidráulica.
• Se comparan las dos velocidades obtenidas
y la diferencia porcentual debe ser igual o
muy cercana a cero, en caso contrario se
debe proponer un nuevo tirante y repetir los
pasos anteriores.
𝑘 =
𝑑
𝐷
≤ 0.5
Galerías filtrantes
13
Los tirantes subsecuentes que se propondrán, si
es que existe necesidad, no serán muy
diferentes al primero propuesto de acuerdo al
Cuadro 5.
Tipo de material
Por lo general, se utilizan las tuberías
comerciales disponibles, entre las que se
pueden mencionar: las de cloruro de polivinilo
(PVC), asbesto-cemento, hierro fundido y
concreto simple o armado.
La selección del tipo de material está
condicionada por la resistencia estructural del
conducto y su capacidad para reaccionar con la
calidad de agua. Adicionalmente, los conductos
empleados debe ser fáciles de perforar.
Si se evalúan los diferentes tipos de materiales,
se encuentra que la tubería de PVC presenta
grandes ventajas: es barata, liviana, induce
pocas pérdidas por fricción, fácil de transportar,
instalar y perforar, no se corroe y tiene una larga
vida útil.
Los conductos de asbesto-cemento tienen la
desventaja de ser frágiles y pesados, y además,
de difícil perforación. Su manejo e instalación es
delicado, por lo que exige mano de obra
especializada.
El hierro fundido tiene a su favor la alta
resistencia a las cargas, su gran durabilidad y el
hecho de que permite un alto porcentaje de área
abierta. Sin embargo, tiene el inconveniente que
es muy costoso y propenso a la formación de
incrustaciones las que disminuyen su capacidad
hidráulica.
Las tuberías de concreto son muy pesadas y
frágiles, lo que complica su manejo, perforación
e instalación. No obstante, pueden ser
instaladas en pequeños tramos con las juntas
abiertas.
Velocidad
Para evitar la acumulación del material fino que
pueda entrar al conducto, la tubería del dren
debe tener una pendiente adecuada que facilite
su auto-limpieza. Normalmente, la velocidad de
escurrimiento debe estar entre 0.60 m/s y 0.90
m/s. De esta manera, el material fino podrá ser
arrastrado hasta la cámara colectora donde se
depositará para su eliminación.
La velocidad de auto-limpieza se logra con
pendientes que varían de 0.001 m/m a 0.005
m/m. No se recomiendan pendientes muy altas
para evitar excavaciones excesivas en casos de
galerías de gran longitud.
Área abierta
En el diseño del área perimetral abierta de los
conductos, se deben tomar en consideración
fundamentalmente dos aspectos:
• Pérdida de la resistencia estructural de la
tubería.
• Velocidad de ingreso.
Existen diversas opiniones acerca del valor de la
máxima velocidad de entrada permisible para
evitar el arrastre de partículas finas. Estos
valores varían desde 2.5 cm s-1
hasta 10 cm s-1
,
con un valor recomendado de 3 cm s-1
y
calculado para un coeficiente de contracción de
entrada por orificio de 0.55. En todo caso, es
recomendable disponer de la mayor cantidad de
área abierta para tener bajas velocidades de
entrada.
El área abierta por unidad de longitud del
conducto estará dada por la siguiente ecuación:
Galerías filtrantes
14
𝐴 =
!!
!"∙!"
……………………………………… (14)
Donde:
A = Área abierta por unidad de longitud del
conducto (m2
).
Qu = Caudal de diseño de la galería por unidad
de longitud (m3
s-1
).
Ve = Velocidad de entrada (m s-1
).
Cc = Coeficiente de contracción (adimensional).
Forma, tamaño y distribución de las
aberturas
El tipo de abertura que se practica en las
tuberías son las perforaciones y las ranuras,
mismas que pueden ser realizadas con taladros
o discos.
Las dimensiones de las perforaciones dependen
de las características del conducto. Según la
publicación "The Desing of Small Dams", del
"The Bureau of Reclamation", la relación que
debe existir entre la mayor dimensión de la
abertura y el tamaño de los granos del filtro está
dada por la siguiente expresión (5):
𝐷!" !" !" !"#$# !"# !"#$%&"' !"#$%&'$(
∗
𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑜 𝑑𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑎𝑏𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑎𝑠
≥ 2
(*) D85 es el tamaño de la abertura del tamiz por donde
pasa el 85 por ciento en peso del material filtrante.
A su vez, la relación de diámetros entre el
material filtrante y el material granular del
acuífero debe ser igual o menor a cinco.
𝐷!" !" !" !"#$# !"# !"#$!"#$ !"#$%&'$(
𝐷!" !"# !"#$%&"' !"#$%&#" !"# !"#í!"#$
≤ 5
La distribución de las aberturas se hace de
forma tal que no reduzca sustancialmente la
resistencia a las cargas externas del conducto
original. Se recomienda que tanto las
perforaciones como las ranuras se distribuyan
uniformemente en el área perimetral, tal como
se muestra en la
Figura 13, lo que evita la creación de zonas
débiles por donde podría fallar la tubería.
Galerías filtrantes
15
Figura 13. Tipo de perforaciones en colectores y sus uniones
Ancho de ranura 5 mm,espacio entre ranuras 5 mm
'
Tramo para unión de drenes
145°
145°
L
Ancho de ranura 5 mm, espacio entre ranuras 5 mm
'
Tramo para unión de drenes
L
'
Tramo para unión de drenes
L
90°
Ancho de ranura 5 mm, espacio entre ranuras 5 mm
Ancho de ranura 5 mm y largo de ranuras 40-50 mm
espacio entre ranuras 10 mm
Diámetro de agujeros 10 mm, espacio entre agujeros 15 mm
'
Tramo para unión de drenes
L
'
Tramo para unión de drenes
L
Galerías filtrantes
16
.Arreglo topológico de los colectores
Tomando en cuenta las recomendaciones de
diseño hidráulico antes mencionadas, se sugiere
también el arreglo topológico de los drenes
similar al espinazo de pescado (Figura 14). Para
evitar el taponamiento de la tubería por
sedimentación en zonas con acuífero de poco
espesor y con recarga superficial, hay otros
arreglos que se recomiendan tomando en
cuenta la disponibilidad de terreno apto para la
construcción como el sistema radial (Figura 15).
Cabe aclarar que en todos los casos terminan
en una cámara de captación para la distribución
posterior del agua.
Figura 14. Arreglo topológico de drenes.
Figura 15. Disposición radial de los drenes, caja
colectora y dique derivador. (Fuente: Álvarez,
2015 e imagen propia).
Material graduado para filtros
El material graduado para filtros es de gran
importancia en el buen funcionamiento de las
galerías de filtración. Su función principal es
impedir que el material fino del acuífero llegue al
interior del conducto sin afectar la velocidad de
Vertedor
Tubería de PVC hidráulico de Ø con
perforaciones en tres bolillos @ x cm
Codo de PVC
de 4'' de Ø de 45°
Yee de PVC
Tapón de PVC
de 4'' de Ø
Tubería de PVC de 4"Ø
Superficie de filtros
Caja de captación
Colector
Caja de válvulas
Colchón hidráulico
Muro o dique
derivador
Galerías filtrantes
17
filtración, es decir, el material filtrante ha de ser
mucho más permeable que el acuífero.
Para la disposición del material filtrante en el
Cuadro 6 se indican las recomendaciones que
para el efecto existen.
Cuadro 6. Granulometría del material filtrante.
Capa
Diámetro (pulgada) Espesor de la capa
(pulgada)Mínimo Máximo
1 (fondo) 1 1 1/2 8 a 10
2 (medio) 1/2 1 12
3 (superior) 1/16 1/2 8
Fuente: Álvarez, 2015.
Como se observa en el cuadro anterior, el
espesor de cada una de las capas del filtro varía
para lograr una filtración eficiente. Sin embargo,
para evitar que durante la construcción queden
tramos de conducto sin recubrimiento, puede ser
necesario usar mayores espesores, lo cual no
afecta el funcionamiento de los drenes, sino que
más bien lo protege contra cualquier defecto
constructivo, ya que a medida que aumenta el
espesor de las capas del forro filtrante,
disminuye el riesgo de que los granos más finos
del acuífero sean arrastrados hacia el interior del
conducto (Figura 16).
Figura 16. Sección transversal del material
graduado para filtros.
Sello impermeable
En las galerías ubicadas en las márgenes de los
ríos o lagos y en los acuíferos con escurrimiento
propio, es recomendable sellar la parte superior
del relleno de la galería. El sello se ejecuta con
material impermeable para evitar que el agua
estancada se filtre hacia la galería y pueda
contaminar el agua captada. Adicionalmente, la
función del sello impermeable es aumentar la
longitud del recorrido del agua superficial a
través de la masa de suelos, y así mejorar su
calidad física y bacteriológica.
El sello impermeable puede estar formado por
una capa de arcilla de unos 30 centímetros de
espesor. Este sello se puede complementar
colocándole en su parte inferior papel
impermeable o geo-membrana. Para evitar que
el agua superficial se estanque, se recomienda
que la capa impermeable quede en un nivel un
poco más alto que el terreno circundante, y con
una pendiente que facilite el drenaje del agua
superficial fuera del área donde se ubica el dren
como se muestra en la Figura 17.
Galerías filtrantes
18
Figura 17. Sello impermeable en la galería.
Pozo colector o caja de captación
La función de este pozo o caja de captación es
reunir el agua drenada por la galería de filtración
y facilitar, si fuera el caso, bombearla. El pozo o
caja puede ser circular o rectangular, y sus
dimensiones deben permitir a un hombre
realizar labores tanto de limpieza como de
mantenimiento de los conductos y válvulas de
regulación de los drenes y de los equipos de
impulsión.
Es recomendable que el fondo del pozo se
prolongue unos 60 cm por debajo de la boca de
salida del dren, para permitir por un lado la
acumulación de la arena que pudiera ser
arrastrada por las aguas captadas y por otro
facilitar el funcionamiento satisfactorio del
equipo de impulsión del agua, si lo hubiera.
Las paredes, el fondo y la parte superior deben
ser fabricados de concreto reforzado y los
acabados de las paredes y del fondo deben ser
impermeables. La parte superior debe llevar una
abertura para la instalación de una tapa de
concreto o de fierro y, dependiendo de su
profundidad, debe estar dotado de escalinatas
para facilitar el acceso de un hombre al fondo
del pozo (Figura 188).
Figura 18. Galería filtrante, caja de captación y
caja de operación de válvulas. (Fuente: imagen
propia)
En caso que la galería se encuentre ubicada en
las márgenes de un curso o cuerpo de agua, y
que el área donde se ubica el pozo esté sujeta a
inundación durante grandes avenidas, se debe
elevar la tapa del pozo colector hasta una altura
mayor a la que pueda alcanzar el agua, para
evitar la entrada de agua superficial y la
contaminación del agua captada por la galería
de filtración.
Galerías filtrantes
19
Mantenimiento
La conservación y mantenimiento sistemático de
la galería es un asunto importante a considerar,
lo cual permite garantizar un funcionamiento
óptimo y duradero de la captación. Para ello,
cada dos años o cuando no fluya el agua por
taponamiento de los filtros, deberá realizarse
una inspección técnica para evaluar el estado de
la galería y del material filtrante, y las
reparaciones se realizarán aprovechando el
período de sequía.
Una galería adecuadamente diseñada y
construida debe operar sin problemas y libre de
mantenimiento si se cumplen las siguientes
reglas:
• No extraer de la galería un mayor caudal de
agua que el de diseño.
• Limitar la depresión del nivel freático hasta
0.30 m por encima del conducto perforado.
La extracción de caudales de agua mayores a
los de diseño, conduce inevitablemente al
ingreso de arena y turbiedad al forro filtrante,
alterando su porosidad, el rendimiento de la
galería y la calidad del agua. Cuando esta
condición se presenta, es difícil realizar un
mantenimiento efectivo, debiendo procederse al
retiro del forro filtrante obstruido, lo cual equivale
a construir una nueva galería. La vida útil de la
galería puede ser conservada si se mantiene el
caudal de extracción hasta una tasa que
minimice la aparición de material fino con el
agua captada.
La limpieza del interior de la tubería de drenaje
es una operación sencilla y, al efecto, se
acostumbra emplear los dispositivos
desarrollados en la limpieza de tuberías de
alcantarillado sanitario. En caso de que no se
cuente con este tipo de equipamiento, se
pueden usar escobillas radiales tiradas de una
soga desde las cámaras de inspección (3).
Generadores de obra
En el Cuadro 7 se muestran de manera
enunciativa el catálogo de conceptos que
corresponde para llevar a cabo los trabajos
necesarios en la construcción de una galería
filtrante.
Cuadro 7. Conceptos para la construcción de una
galería filtrante.
DESCRIPCIÓN DEL CONCEPTO UNIDAD
Limpia, trazo y nivelación de terreno con matorral
espinoso y crasicaule con cobertura superior al 10%
m
2
Excavación de forma manual o con maquinaria en
material tipo II hasta una profundidad de 2.00 m.
m
3
Achique con bomba autocebante de X" de X h.p. de
gasolina
h
Plantilla de concreto hidráulico en un espesor de 5
cm, de concreto f'c = 100 kg/cm
2
resistencia normal y
tamaño máximo de agregado de 19 mm.
m
2
Concreto ciclópeo f'c=200 kg/cm
2
m
3
Cimbrado y descimbrado, incluye: nivelado, perfilado,
achaflanado y la remoción de la misma al final del
proceso
m
2
Suministro de tubería de PVC hidráulico o del material
conveniente, perforado en tres bolillo de acuerdo al
área de diseño
m
Suministro de tubería de conducción del agua captada
del mismo diámetro de la tubería ranurada
m
Suministro de tapón capa de PVC o del material
elegido, para evitar la entrada de sedimentos a la
tubería ranurada
pieza
Suministro de tee o ye de PVC hidráulico de acuerdo
al diseño
pieza
Suministro de codo de PVC hidráulico de acuerdo a
diseño de 45 o 90°
pieza
Instalación de tubería de "x" mm de diámetro, incluye:
tendido e instalación de conexiones.
m
Suministro y colocación de piedra para filtros, piedra
de tamaño medio de 1" a 1 1/2", incluye mano de obra
y herramienta
m
3
Suministro y colocación de grava para filtros, grava
de1/2" a 1", incluye mano de obra y herramienta
m
3
Suministro y colocación de arena para filtros de 1/16"
a 1/2", incluye mano de obra y herramienta
m
3
Galerías filtrantes
20
Bibliografía
1. Álvarez B., 2015. Drenaje. http://barbara23alvarez.blogspot.mx/ consultado el día 16 de
Septiembre de 2017 a las 17:12 horas. México.
2. Arteaga Tovar, R. E. 1993. Hidráulica Elemental. Departamento de Irrigación, Universidad
Autónoma Chapingo. México.
3. CEPI, 2002. Manual de diseño de galerías filtrantes. Centro Panamericano de Ingeniería
Sanitaria y Ciencias del Ambiente, Lima.
4. SEMARNAT, 2012. Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales. Informe de la Situación
del Medio Ambiente en México. Compendio de Estadísticas Ambientales. Indicadores Clave y de
Desempeño Ambiental. Edición 2012. México. 2013.
5. U.S. Department of the Interior. 1987. Design of small dams. Bureau of Reclamation. A water
resources technical publication. USA.
“GALERIAS FILTRANTES”
Segunda Edición
México, Noviembre 2017
Secretaría de Agricultura,
Ganadería, Desarrollo Rural,
Pesca y Alimentación
Subsecretaría de Desarrollo Rural,
Dirección General de Producción
Rural Sustentable en Zonas
Prioritarias
Responsables de la Ficha
Dr. Demetrio S. Fernández Reynoso
(demetrio@colpos.mx)
Dr. Mario R. Martínez Menes
(mmario@colpos.mx)
M.C. Hilario Ramírez Cruz
(ramirezcruzhi@gmail.com)
Ing. Ricardo Castillo Vega
Ing. Sixto García Antonio
Ing. Bulmaro Luis Martínez
Colegio de Postgraduados.
Carretera México-Texcoco, km 36.5
Montecillo, Edo. de México 56230
Tel. 01 (595) 95 2 02 00 (ext 1213)
Galerías filtrantes
21
1 ANEXOS
Anexo 1. Valores para la profundidad equivalente (d) de Hooghoudt (r = 0.1m, Hd y Dd expresados
en metros.
D/L 5 m 7.5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0.50 0.47 0.48 0.49 0.49 0.49 0.50 0.50
0.75 0.60 0.65 0.69 0.71 0.73 0.74 0.75 0.75 0.75 0.76 0.76
1.00 0.67 0.75 0.80 0.86 0.89 0.91 0.93 0.94 0.96 0.96 0.96
1.25 0.70 0.85 0.89 1.00 1.05 1.09 1.12 1.13 1.14 1.14 1.15
1.50 0.88 0.97 1.11 1.19 1.25 1.28 1.31 1.34 1.35 1.36
1.75 0.91 1.02 1.20 1.30 1.39 1.45 1.49 1.52 1.55 1.57
2.00 1.08 1.28 1.41 1.50 1.57 1.62 1.66 1.7 1.72
2.25 1.13 1.34 1.50 1.69 1.69 1.76 1.81 1.84 1.86
2.50 1.38 1.57 1.69 1.79 1.87 1.94 1.99 2.02
2.75 1.42 1.63 1.76 1.88 1.98 2.05 2.12 2.18
3.00 1.45 1.67 1.83 1.97 2.08 2.16 2.23 2.29
3.25 1.48 1.71 1.88 2.04 2.16 2.26 2.35 2.42
3.50 1.50 1.75 1.93 2.11 2.24 2.35 2.45 2.54
3.75 1.52 1.78 1.97 2.17 2.31 2.44 2.54 2.64
4.00 1.81 2.02 2.22 2.37 2.51 2.62 2.71
4.50 1.85 2.08 2.31 2.50 2.63 2.76 2.87
5.00 1.88 2.15 2.38 2.58 2.75 2.89 3.02
5.50 2.20 2.43 2.65 2.84 3.00 3.15
6.00 2.48 2.70 2.92 3.09 3.26
7.00 2.54 2.81 3.03 3.24 3.43
8.00 2.57 2.85 3.13 3.35 3.56
9.00 2.89 3.18 3.43 3.66
10.00 3.23 3.48 3.74
∞ 0.71 0.93 1.14 1.53 1.89 2.24 2.58 2.91 3.24 3.56 3.88
Galerías filtrantes
22
Continuación de Anexo 1.
D/L 50 75 80 85 90 100 150 200 250
0.50 0.50 		
1.00 0.96 0.97 0.97 0.97 0.98 0.98 0.99 0.99 0.99
2.00 1.72 1.80 1.82 1.82 1.83 1.85 1.00 1.92 1.94
3.00 2.29 2.49 2.52 2.54 2.56 2.60 2.72 2.70 2.83
4.00 2.71 3.04 3.08 3.12 3.16 3.24 3.46 3.58 3.66
5.00 3.02 3.49 3.55 3.61 3.67 3.78 4.12 4.31 4.43
6.00 3.23 3.85 3.93 4.00 4.08 4.23 4.70 4.97 5.15
7.00 3.43 4.14 4.23 4.33 4.42 4.62 5.22 5.57 5.81
8.00 3.56 4.38 4.49 4.61 4.72 4.95 5.68 6.13 6.43
9.00 3.66 4.57 4.70 4.82 4.95 5.23 6.09 6.63 7.00
10.00 3.74 4.74 4.89 5.04 5.18 5.47 6.45 7.09 7.53
12.50
		
5.02 5.20 5.38 5.56 5.92 7.20 8.06 8.68
15.00 5.20 5.40 5.60 5.80 6.25 7.77 8.84 9.64
17.50 5.30 5.53 5.76 5.99 6.44 8.20 9.47 10.4
20.00
		
5.62 5.87 6.12 6.60 8.54 9.97 11.1
25.00 5.74 5.96 6.20 6.79 8.99 10.70 12.1
30.00
		 		 		 		
9.27 11.30 12.9
35.00 9.44 11.60 13.4
40.00
		
11.80 13.8
45.00 12.00 13.8
50.00 12.10 14.3
60.00 		 14.6
∞	 3.88 5.38 5.76 6.00 6.26 6.82 9.53 12.20 14.7

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Galerías filtrantes (2da ed.)

  • 2. Galerías filtrantes 2 Introducción La disponibilidad de agua a nivel mundial es de aproximadamente 1,386 millones de km3 , de los cuales el 97.5% es agua salada y sólo el 2.5%, es decir 35 millones de km3 , es agua dulce. Este porcentaje se localiza principalmente en ríos, lagos, glaciares, mantos de hielo y acuíferos del mundo. Del agua dulce existente en el planeta, 30% corresponde a agua subterránea que resulta una fuente de abastecimiento para arroyos, manantiales y humedales, así como un recurso fundamental para satisfacer las demandas de agua para consumo humano y uso agropecuario principalmente (4). El aprovechamiento de las aguas subterráneas se puede realizar a través de una estructura que capta el agua que fluye en los poros del subsuelo. Este tipo de aprovechamiento crea un cono de depresión, que se extiende hacia los lados, que resulta ser menos acentuado cuanto más distante se encuentre del punto de extracción. Las captaciones pueden agruparse en: a) verticales, b) horizontales y c) mixtas. Dentro del grupo de las captaciones verticales se tiene los pozos excavados, pozos hincados y pozos perforados. En el caso de las captaciones horizontales se cuenta con las galerías, zanjas o trincheras y drenes; y entre las captaciones mixtas se tiene a los pozos radiales y otras combinaciones entre los pozos de tipo vertical y horizontal (3). La presente ficha aborda lo relacionado con galerías filtrantes con sistema de captación horizontal. Definición La galería filtrante es una estructura conformada por un sistema de drenaje (por medio de tubos perforados y casi horizontales), enterrado, rodeado y cubierto por un estrato o filtro de materiales graduados que capta el agua adyacente a una fuente de recarga o acuífero y/o de los cauces de los ríos, para conducirla por gravedad y almacenarla en una caja de captación donde puede ser bombeada o derivada por gravedad. Objetivos • Captar agua subterránea y de los lechos de los cauces permanentes e intermitentes. • Captar agua subsuperficial o flujo lateral de las laderas. • Extraer y/o captar agua de mejor calidad y libre de sedimentos a través del paso por materiales graduados. Ventajas • Son fáciles de excavar e instalar en materiales no consolidados. • Permiten aprovechar los escurrimientos sub- superficiales o subálveos. • Disponer de agua cuando el caudal de los ríos es mínimo o nulo. • Permiten obtener agua de mejor calidad. Desventajas • Son vulnerables al azolvamiento si no se protegen contra inundaciones. • Requieren una alta inversión inicial. • Requieren de mantenimiento periódico.
  • 3. Galerías filtrantes 3 Condiciones para establecer una galería filtrante y elementos básicos a considerar A continuación se mencionan las condiciones que se deben cumplir para establecer una galería filtrante, como cualquier otra obra civil, para evitar retrasos en la construcción, pérdidas económicas y conflictos sociales con la finalidad de guardar la armonía social y ambiental, y sobre todo tener el impacto productivo deseado. Legal. Permisos de construcción en zona federal y dictamen de impacto ambiental emitido por la autoridad competente o en su caso, permiso de construcción o acta de donación del terreno firmado y sellado por la autoridad agraria. Social. Acta de aceptación de la obra por la comunidad o grupo de beneficiarios. Técnico. Estudios que justifiquen la aptitud del terreno para la construcción, los cuales son: estudio topográfico, reconocimiento geológico del sitio, estratigrafía, granulometría y estudio hidrológico e hidráulico del sitio propuesto. Ubicación • Los lugares más convenientes para la construcción de galerías filtrantes, son las márgenes planas de los cauces y cuerpos de agua, donde el material que forma la zona de captación, en el lecho del río, tenga una granulometría que permita trabajar la galería como un filtro lento. • La galería debe ubicarse lo más alejada posible de las fuentes de contaminación tales como: lagunas de estabilización, filtros percoladores, letrinas, descargas industriales, etc. • El sitio donde se tiene previsto la construcción de la galería filtrante no debe estar sujeto a erosión, ya que pondría en peligro al dren colector, adelgazando el espesor de la capa del suelo que la protege. • La distancia que debe existir entre la galería y la fuente de recarga superficial para evitar la contaminación bacteriana debe ser mayor a 15 m de acuerdo a la recomendación de la Organización Mundial de la Salud (OMS)1 . • La galería filtrante se ubicará en dirección perpendicular de las aguas subterráneas, pero en el caso de que exista una recarga constante de una fuente superficial, podrá optarse por una dirección paralela a esta. Económico. Que cumplan con los requisitos de rendimiento máximo de mano de obra, maquinaria y equipo, precios máximos de referencia de acuerdo al tabulador de la entidad normativa y que la relación beneficio/costo sea mayor a la unidad. Generalmente, la profundidad de la galería estará restringida por la presencia de material rocoso y costos de excavación. El profundizar más allá de 5 o 6 m significa ingresar excavando mediante terraplenes, si es con maquinaria, o por escalones, si es manualmente. También implica apuntalado de paredes y muchas veces el achique por presencia de agua. Ambiental. Se procurará que la estructura propuesta no provoque cambios considerables en la zona de construcción, como son cambio de uso de suelo, deforestación o afectaciones de áreas naturales protegidas o de especies en peligro de extinción. 1 http://www.bvsde.paho.org/tecapro/documentos/agua/igal eriasf.pdf
  • 4. Galerías filtrantes 4 Condición del acuífero Galerías que comprenden todo el espesor del acuífero Acuífero con escurrimiento propio Considera que la masa de agua se desplaza en un solo sentido, a través del estrato permeable, y es interceptada por la galería ( Figura 1). Figura 1. Galería que comprende todo el espesor del acuífero y ubicada en un acuífero con escurrimiento propio. (Fuente: CEPI, 2002). Acuífero con recarga superficial El concepto es similar al anterior, a excepción que el agua de recarga o de reposición es suministrada por un curso o cuerpo de agua superficial (Figura 2). Figura 2. Galería ubicada en acuífero con recarga superficial y comprende todo el espesor. (Fuente: CEPI, 2002). Galerías que comprenden la parte superior del acuífero Está representado por acuíferos profundos y de gran potencia, en donde la obra de captación se ubica en la parte superior del acuífero y es abastecida por ambos lados. Galerías en acuífero con escurrimiento propio La galería recolecta los escurrimientos propios del acuífero por ambas caras del dren (Figura 3). Figura 3. Galería ubicada en acuífero con escurrimiento propio y comprende la parte superior. (Fuente: CEPI, 2002). Galerías en acuífero con recarga superficial La galería recolecta los escurrimientos tanto del acuífero como del agua proveniente de un curso o cuerpo superficial (Figura 4). Figura 4. Galería ubicada en acuífero con recarga superficial y comprende parte la superior. Superficie impermeable Estrato permeable Colector Terreno natural Superficie impermeable Estrato permeable Colector Fuente de agua Terreno natural Estrato permeable Terreno natural Colector Estrato permeable Fuente de agua Terreno natural Colector
  • 5. Galerías filtrantes 5 Galerías en acuíferos con recarga superficial La característica de estas obras es que la galería se encuentra en un acuífero ubicado por abajo de la fuente de agua que la recarga, no produciéndose abatimiento del nivel freático del agua. Estos tipos de captaciones se construyen en fondos de lagos, lagunas y ríos. Galería en acuífero de gran espesor El estrato impermeable se encuentra ubicado a mayor profundidad con respecto al lugar donde se encuentra ubicada la galería (Figura 5). Figura 5. Galería ubicada en acuífero de gran espesor y con recarga superficial. (Fuente: CEPI, 2002). Galería en acuífero de poco espesor El estrato impermeable se encuentra ubicado por debajo del dren (Figura 6). Figura 6. Galería en acuífero con recarga superficial y ubicado en acuífero de poco espesor. Elementos básicos a considerar La selección entre una galería que comprenda todo el espesor de un acuífero o que sólo aproveche la parte superior del mismo, depende: del espesor del acuífero, de la permeabilidad del suelo, del equipo disponible para hacer la excavación, de las condiciones naturales del área disponible y, sobre todo, de la demanda de agua. En caso de un acuífero muy delgado, se recomienda colocar el dren en el fondo para extraer todo el caudal que escurre por él. En el caso de acuíferos de mediano espesor, vale la pena analizar si es más económico efectuar una excavación que comprenda todo el espesor del acuífero o solamente la parte superior, lo que conducirá a obtener un menor rendimiento por unidad de longitud de galería. Diseño La galería filtrante se puede ubicar en dirección perpendicular al flujo, pero en caso de que exista una recarga constante de una fuente superficial, podrá optarse por una dirección paralela al mismo. Los parámetros que influyen en el rendimiento de las galerías filtrantes son: conductividad hidráulica, espesor del acuífero y gradiente hidráulico. De estos tres parámetros, el que influye directamente en todos los tipos de galerías es la conductividad hidráulica y depende de factores como: a) forma, disposición y tamaño de los granos del material filtrante del acuífero y b) viscosidad y densidad del fluido. De acuerdo a experiencias y situaciones hidrográficas donde opera el componente de conservación de suelo y agua, se han construido Colector Estrato permeable Superficie impermeable Colector Estrato permeable
  • 6. Galerías filtrantes 6 galerías filtrantes en cauces de arroyos intermitentes donde se emplea una estructura derivadora para elevar el tirante y permitir el filtrado del agua en la capa subyacente de materiales graduados, para posteriormente ser conducida por gravedad a la zona de demanda. Dada esta condición, la mayoría de las galerías construidas se ubican en la clasificación de galerías en acuífero con recarga superficial y de poco espesor. Para el diseño del dique se seguirá el mismo procedimiento empleado en la proyección de una presa de gravedad, con el detalle que el anclaje puede ser más profundo con un delantal que llegue a la zona impermeable o material parental. Para su construcción se deben llevar a cabo los siguientes estudios y/o procedimientos: • Reconocimiento de campo para la ubicación de sitios adecuados, apreciar el relieve, el afloramiento de rocas, la proximidad de posibles focos de contaminación y anticipar estudios especializados que se puedan requerir. • Plano topográfico de la zona y perfiles transversales. • Plano geológico y perfil estratigráfico. • Mapa de niveles de las aguas subterráneas y su variación en el año hidrológico. • Parámetros hidrogeológicos determinados por ensayos de bombeo. • Análisis físico-químico y bacteriológico del agua. Diseño de una galería filtrante en acuífero con recarga superficial y de poco espesor Elementos para el diseño Para el diseño de galerías de filtración se dispone de varios métodos de cálculo: unos deducidos a partir de la ecuación de Dupuit y otros identificados con el apellido del científico que lo desarrolló. Considerando que el proyectista de pequeñas obras de abastecimiento tiene que diseñar una galería de filtración con base en su experiencia, y por lo general, sin contar con un estudio hidrogeológico detallado, resulta una buena práctica realizar los cálculos por medio de diferentes métodos, variando los parámetros dentro de un rango razonable de magnitud, para luego seleccionar los resultados más probables. El procedimiento de emplear diferentes modelos en el diseño de la galería filtrante, permite al proyectista identificar los parámetros o factores de mayor influencia. Al efecto, en las formulaciones, es necesario tener en cuenta las características del acuífero y las características del dren. Las características del acuífero se identifican por los siguientes parámetros con sus respectivos símbolos y dimensiones: • Conductividad hidráulica o permeabilidad: kf (m s-1 ). Es la facilidad con la que un material permite el paso del agua a través de él, y está representado por el volumen de agua que escurre a través de un área unitaria de un acuífero bajo un gradiente unitario y por unidad de tiempo. También se le conoce como coeficiente de permeabilidad (Cuadro 1).
  • 7. Galerías filtrantes 7 • Profundidad del acuífero: H (m). • Transmisividad T=kf*H (m2 s-1 ). Caudal a través de una sección de acuífero de ancho unitario bajo un gradiente hidráulico unitario. Se expresa como el producto de la conductividad hidráulica por la profundidad del acuífero. • Espesor dinámico del acuífero en el punto de observación: Hb (m). • Espesor dinámico del acuífero en la galería: Hd (m). Espesor del acuífero medido entre el nivel de agua del dren de la galería y la cota inferior del acuífero. • Pendiente dinámica del acuífero: i (m/m). • Porosidad efectiva: S (adimensional). Permeabilidad de un medio poroso a un fluido que ocupa solo una parte del espacio poroso, estando el resto ocupado por otros fluidos. Es una función de la saturación. • Radio de influencia del abatimiento: R (m). • Distancia entre la galería y el pozo de observación: L (m). • Distancia entre la galería y el punto de recarga: D (m). En lo que respecta a la galería de filtración, las principales características físicas, con sus respectivos símbolos y dimensiones son: • Radio del dren: r (m). • Tiempo de extracción del agua de la galería: t (s). • Abatimiento del nivel del agua a la altura de la galería: s (m). • Tirante mínimo de agua por encima del lecho del curso o cuerpo de agua superficial: a (m). • Profundidad del estrato impermeable con respecto a la ubicación del dren: b (m). • Profundidad de ubicación del dren con respecto al fondo del curso o cuerpo de agua superficial: z (m). • Carga de la columna de agua sobre el dren: pd (m). Adicionalmente, se tiene el caudal de explotación de la galería de filtración y que puede ser: • Caudal unitario por longitud de dren: q (m3 /s- m). • Caudal unitario por área superficial: q’ (m3 /s- m2 ). La fórmula presentada por Darcy en 1856 hizo posible el tratamiento matemático del movimiento del agua subterránea y Dupuit, aparentemente, fue el primero en aplicar este tipo de análisis a la hidráulica de pozos, asumiendo la existencia de una isla circular asentada en una formación de características homogéneas y en cuyo centro se ubica el pozo. Cuadro 1. Conductividad hidráulica de algunos materiales. Permeabilida d (mm/día) Calificación Calificación del acuífero Tipo de material 10 -6 a 10 -4 Impermeable Acuicludo Arcilla compacta, Pizarra, Granito. 10 -4 a 10 -2 Poco Permeable Acuitardo Limo Arenosa, Limo, Arcilla Limosa. 10 -2 a 1 Algo Permeable Acuífero pobre Arena Fina, Arena Limosa, Caliza Fracturada. 1 a 10 2.5 Permeable Acuífero de Arena Limpia, Grava y arena, Arena Fina. regular a bueno 10 2.5 a 10 5 Muy Permeable Acuífero excelente Grava Limpia. Fuente: CEPI, 2002. Nota: Acuicludo: Contiene agua en su interior, incluso hasta la saturación, pero no la transmite. Acuitardo: Contiene agua y la transmite muy lentamente. Acuífero: Almacena agua en los poros y circula con facilidad por ellos. La fórmula de Dupuit representa el cálculo
  • 8. Galerías filtrantes 8 clásico de una galería de filtración. Los supuestos básicos son: • Flujo simétrico hacia una zanja que llega hasta la napa impermeable, es decir, que corta el acuífero hasta el fondo del mismo • Las líneas de flujo son horizontales con equipotenciales verticales • La pendiente de la superficie impermeable, que define la parte inferior del acuífero, es pequeña en el área cercana a la galería. Diseño Las galerías que comprometen la parte superior del acuífero, consideran que la ubicación del dren (por debajo del nivel natural de la napa de agua), en relación con el espesor del acuífero, es pequeña. Es decir, la relación profundidad al estrato impermeable (b) contra la profundidad al dren (z) es mayor a 10: 𝑏 𝑧 > 10 Las ecuaciones para los acuíferos con escurrimiento propio y con recarga superficial, aplicadas en el presente caso, son: Galerías ubicadas en la parte superior del acuífero con escurrimiento propio La ecuación general para estimar el gasto que gobierna este tipo de galería (Figura 7) se menciona a continuación: 𝑞 = !∙!!∙! !"∙ ! ! ……………………………………… (1) Para obtener el radio de influencia R, se emplea la ecuación siguiente: 𝑅 = !∙! !∙!! !.! ! ……………………………………..(2) Sustituyendo “R” en la ecuación 1, se tiene: 𝑞 = !∙!!∙! !"∙ !∙! !∙!! !.! !∙! ……………………………(3) La ecuación 3 se resuelve por aproximaciones sucesivas. El caudal máximo, que puede ser extraído, se obtiene cuando el cono de abatimiento de la napa de agua (s), alcanza la parte superior del dren entubado. Para resolver dicha ecuación se recomienda el siguiente procedimiento: • El largo de la galería, la profundidad, la conductividad hidráulica (Kf), la pendiente del acuífero (i) y el abatimiento de la napa de agua a la altura de la galería (s), son valores conocidos. • Al resolver por aproximaciones sucesivas, se va proponiendo “q” y se compara con el “q” calculado, hasta que la diferencia entre ambos sea mínima o aceptable. Figura 7. Galería que comprende la parte superior del acuífero con escurrimiento propio. La ecuación de Hooghoudt fue desarrollada para el cálculo de drenes paralelos y permite determinar el caudal específico por área
  • 9. Galerías filtrantes 9 superficial y expresa el caudal unitario por área superficial (Figura 8). Figura 8. Galería con drenes paralelos que comprende la parte superior del acuífero. 𝑞! = !∙!!"#"$%∙!∙!!!∙!!"##$%"∙!! !! ! …………………….. (4) A su vez: 𝑑 = !! !∙ !!!!" ……………… ……………… ….(5) 𝐹ℎ = !!!!"∙ ! ! !∙!"∙!! 𝐹𝑟 = 𝑙𝑛 !" !∙! ! Donde: d = Profundidad equivalente (m). Dd = Separación entre drenes (m). Hd= Espesor dinámico del acuífero en la galería (m). Para relaciones de Dd/Hd menores a 3.18, la deducción de los valores de Fh y Fr se debe calcular para una profundidad Hd igual a Dd/3.18. En el Anexo 1, se presentan valores de d para un radio de 0.1 m. El caudal total de drenaje es igual al área definida por el espaciamiento entre drenes y la longitud del mismo. Galerías ubicadas en la parte superior del acuífero con recarga superficial Acuífero con recarga superficial: La ecuación que gobierna esta situación es similar a la anterior, con la única diferencia que el radio de influencia de la galería (R) es conocido y está representado por la distancia a la fuente de recarga (D) (Figura 9): 𝑞 = !∙!!∙! !" ! ! ……………………………………… (6) Figura 9. Galería que comprende la parte superior del acuífero adyacente a una fuente de recarga superficial. Galerías en acuíferos con recarga superficial Galería en acuífero de gran espesor Se puede considerar a un acuífero de gran espesor, cuando la relación profundidad del dren al estrato impermeable, versus profundidad de ubicación al dren, es mayor o igual a 10, (Figura 10). ! ! ≥ 10 , la ecuación aplicada en el presente caso es: 𝑞 = !∙!!!!∙ !!! !" !∙! ! ……………………………….. (7)
  • 10. Galerías filtrantes 10 Figura 10.Galería en acuífero de gran espesor con recarga superficial. Las galerías ubicadas en acuíferos con recarga superficial, inicialmente producen el doble de agua que las galerías situadas adyacentes al cuerpo de agua, pero después de un tiempo son afectadas por el régimen de sedimentación que altera el valor de la conductividad hidráulica, por eso se recomienda aplicar la ecuación deducida a partir de la ecuación teórica anterior: 𝑞 = !∙!!!!∙ !!! !∙!" !.!∙! ! ……………… ……………… (8) Galería en acuífero de poco espesor Se considera a un acuífero de poco espesor, cuando la relación profundidad del dren al estrato impermeable, versus profundidad al dren, es menor a 10 (Figura 11). ! ! < 10. Figura 11. Galería en acuífero de poco espesor con recarga superficial. La ecuación aplicada en el presente caso y obtenida por el método de las imágenes es: 𝒒 = 𝟐∙𝝅∙𝒌 𝒇∙ 𝒛!𝒂 𝑳𝒏 𝟐∙𝒛∙ 𝒛!𝒃 𝒓!𝒃 ……………… ……………………… (9) Al igual que para el caso anterior, se propone el empleo de la siguiente ecuación: 𝒒 = 𝟐∙𝝅∙𝒌 𝒇∙ 𝒛!𝒂 𝟒!𝑳𝒏 𝟏.𝟏∙𝒛∙ 𝒛!𝒃 𝒓!𝒃 ……………………..…………… (10) Diseño de los elementos de una galería Diseño del conducto colector En el diseño del conducto colector de la galería, se deben considerar los aspectos siguientes: • Sección con capacidad suficiente para que fluya el caudal de diseño. • Mínimas pérdidas por fricción. • Área de las aberturas del dren que faciliten el flujo de agua del acuífero hacia el conducto. Diámetro El diámetro mínimo a utilizar es el que garantice el escurrimiento del caudal de diseño con un tirante no mayor al 50%, pero en ningún caso la tubería deberá tener menos de 200 mm. Este
  • 11. Galerías filtrantes 11 diámetro facilita la limpieza y mantenimiento de los drenes. En casos de galerías muy largas, es posible usar distintos diámetros, teniendo en cuenta que en los tramos iníciales no es necesaria una alta capacidad de conducción. En el diseño de este tipo de conductos, los requisitos a cumplir en la alternativa más eficiente de las secciones circulares, se sintetizan en los siguientes puntos, para posibles alternativas (suponiendo D) ya sea en tamaños comerciales y para secciones preconstruidas, la relación 𝑘 = ! ! debe ser menor o igual a 0.5, porque la tubería deberá conducir con un tirante no mayor al 50%. • Escurrimiento tranquilo donde el tirante normal sea mayor al tirante crítico (d > dc), para un régimen de la corriente de fácil control. • Velocidad media (v) entre una velocidad mínima (vmín = 0.6 m s-1 ) y una máxima (vmáx =0.9 m s-1 ). En el Cuadro 2 y la Figura 12 se muestran las características geométricas del conducto. Cuadro 2. Ecuaciones para el cálculo de las características geométricas de la sección circular del canal o conducto. Intervalo 𝟎 ≤ 𝒅 𝑫 ≤ 𝟏 Ángulo en Radianes (𝜃) 𝜃 = 2 ∙ 𝐶𝑜𝑠!! 1 − 2 ∙ 𝑑 𝐷 Ancho de la Superficie Libre del Agua (T) 𝐷 ∙ 𝑆𝑒𝑛 𝜃 2 ó 2 ∙ 𝑑 𝐷 − 𝑑) Área Hidráulica (A) 𝐷! 8 𝜃 − 𝑆𝑒𝑛𝜃 Perímetro Mojado (P) 𝐷 ∙ 𝜃 2 Figura 12. Características geométricas de la sección circular del canal o conducto. Generalmente la metodología utilizada en el diseño hidráulico de canales es la propuesta por Manning, la cual calcula la velocidad del agua y el gasto que pasa por el conducto con las siguientes ecuaciones: 𝑣 = ! ! ∙ 𝑠 ! ! ∙ 𝑟 ! ! ……………… ……………….. (11) 𝑄 = 𝑞 ∙ 𝐿……………… ………………..……..(12) Donde: Q= Gasto del conducto (m3 s-1 ) q= Gasto unitario (m3 /s/m). L= Longitud total del conducto (m). n= Coeficiente de rugosidad de Manning (adimensional), Cuadro 3. s= Pendiente del conducto (m/m). A= Área Hidráulica (m2 ). r= Radio hidráulico (m) Al multiplicar la ecuación 11 por el área hidráulica, se obtiene el gasto (Q): 𝑄 = 𝐴 ∙ ! ! ∙ 𝑠 ! ! ∙ 𝑟 ! ! . ………………………… (13) El diseño de una sección de canal de tipo circular se realiza por tanteos con ayuda de una plantilla de cálculo.
  • 12. Galerías filtrantes 12 Cuadro 3. Valores de coeficiente de Rugosidad de Manning para tuberías de diferente material. Material Valores Mínimo Normal Máximo Concreto 0.013 0.017 0.02 Asbesto Cemento 0.009 0.01 0.011 Polietileno o PVC 0.007 0.008 0.009 Fierro fundido 0.011 0.014 0.016 Acero remachado en espiral 0.013 0.015 0.017 A continuación, se muestran los pasos a seguir para el diseño hidráulico del conducto de la galería filtrante, mostrándose en los Cuadros 4 y 5 la plantilla de cálculo2 : • Se propone un diámetro del conducto. • Se calcula el tirante con la relación 𝑘 = 𝑑/𝐷′, teniendo en cuenta que k debe ser menor o igual a 0.5; en este caso se utiliza el 0.5, porque representa el tirante al 50%. • Se calcula el ángulo (θ), que para este caso será igual o muy cercano a 180° ó π radianes. • Se calcula el ancho de la superficie libre del agua • Se calcula el área hidráulica. • Se calcula el perímetro de mojado. • Con los valores anteriores de área y perímetro se obtiene el radio hidráulico. • Con la ecuación de Manning se obtiene la velocidad del agua que pasa por el conducto, cuidando de no sobrepasar las restricciones, cuando la velocidad se encuentre dentro de dicho intervalo, se acepta el valor de D propuesto y se procede al afine del tirante. Cuadro 4. Alternativas para el diseño del canal. Q, n, s Son valores conocidos 1 2 3 4 5 6 7 8 Diámetr o Tiran te Ángulo Ancho de la SLA Área Perí metr o Radio hidráulic o velocidad D d u T A P R v (m) (m) (radian es) (m) (m 2 ) (m) (m) (m/s) Se propon e 0.5/ D 2 ∙ 𝐶𝑜𝑠!! 1 − 2 ∙ 𝑑 𝐷 𝐷 ∙ 𝑆𝑒𝑛 𝜃 2 ó 2 ∙ 𝑑 𝐷 − 𝑑) 𝐷! 8 𝜃 − 𝑆𝑒𝑛𝜃 𝐷 ∙ 𝜃 2 𝐴 𝑃 1 𝑛 ∙ 𝑠 ! ! ∙ 𝑟 ! ! 0.6 m/s ≤ v ≤ 0.9 m/s Fuente: (2) Cuadro 5. Afine de tirante. Q, n, s Son valores conocidos D = Valor obtenido en el cuadro anterior. 1 2 3 4 5 Tirante Velocid ad Gasto Velocidad Diferencia entre V2 y v d V2 Q2 v % (m) (m/s) (m 3 /s) (m/s) Se propone 1 𝑛 ∙ 𝑠 ! ! ∙ 𝑟 ! ! 𝑣! ∙ 𝐴 𝑄 𝐴 Fuente: (2) Para el afine del diseño se prosigue: • Se propone un tirante, comenzando con el obtenido de la primera tabla de cálculo. • Se obtiene la velocidad con la ecuación de Manning. • Se calcula el gasto al multiplicar la velocidad obtenida por el área hidráulica. • Se obtiene la velocidad con el gasto que se tiene como dato, dividiéndose por el área hidráulica. • Se comparan las dos velocidades obtenidas y la diferencia porcentual debe ser igual o muy cercana a cero, en caso contrario se debe proponer un nuevo tirante y repetir los pasos anteriores. 𝑘 = 𝑑 𝐷 ≤ 0.5
  • 13. Galerías filtrantes 13 Los tirantes subsecuentes que se propondrán, si es que existe necesidad, no serán muy diferentes al primero propuesto de acuerdo al Cuadro 5. Tipo de material Por lo general, se utilizan las tuberías comerciales disponibles, entre las que se pueden mencionar: las de cloruro de polivinilo (PVC), asbesto-cemento, hierro fundido y concreto simple o armado. La selección del tipo de material está condicionada por la resistencia estructural del conducto y su capacidad para reaccionar con la calidad de agua. Adicionalmente, los conductos empleados debe ser fáciles de perforar. Si se evalúan los diferentes tipos de materiales, se encuentra que la tubería de PVC presenta grandes ventajas: es barata, liviana, induce pocas pérdidas por fricción, fácil de transportar, instalar y perforar, no se corroe y tiene una larga vida útil. Los conductos de asbesto-cemento tienen la desventaja de ser frágiles y pesados, y además, de difícil perforación. Su manejo e instalación es delicado, por lo que exige mano de obra especializada. El hierro fundido tiene a su favor la alta resistencia a las cargas, su gran durabilidad y el hecho de que permite un alto porcentaje de área abierta. Sin embargo, tiene el inconveniente que es muy costoso y propenso a la formación de incrustaciones las que disminuyen su capacidad hidráulica. Las tuberías de concreto son muy pesadas y frágiles, lo que complica su manejo, perforación e instalación. No obstante, pueden ser instaladas en pequeños tramos con las juntas abiertas. Velocidad Para evitar la acumulación del material fino que pueda entrar al conducto, la tubería del dren debe tener una pendiente adecuada que facilite su auto-limpieza. Normalmente, la velocidad de escurrimiento debe estar entre 0.60 m/s y 0.90 m/s. De esta manera, el material fino podrá ser arrastrado hasta la cámara colectora donde se depositará para su eliminación. La velocidad de auto-limpieza se logra con pendientes que varían de 0.001 m/m a 0.005 m/m. No se recomiendan pendientes muy altas para evitar excavaciones excesivas en casos de galerías de gran longitud. Área abierta En el diseño del área perimetral abierta de los conductos, se deben tomar en consideración fundamentalmente dos aspectos: • Pérdida de la resistencia estructural de la tubería. • Velocidad de ingreso. Existen diversas opiniones acerca del valor de la máxima velocidad de entrada permisible para evitar el arrastre de partículas finas. Estos valores varían desde 2.5 cm s-1 hasta 10 cm s-1 , con un valor recomendado de 3 cm s-1 y calculado para un coeficiente de contracción de entrada por orificio de 0.55. En todo caso, es recomendable disponer de la mayor cantidad de área abierta para tener bajas velocidades de entrada. El área abierta por unidad de longitud del conducto estará dada por la siguiente ecuación:
  • 14. Galerías filtrantes 14 𝐴 = !! !"∙!" ……………………………………… (14) Donde: A = Área abierta por unidad de longitud del conducto (m2 ). Qu = Caudal de diseño de la galería por unidad de longitud (m3 s-1 ). Ve = Velocidad de entrada (m s-1 ). Cc = Coeficiente de contracción (adimensional). Forma, tamaño y distribución de las aberturas El tipo de abertura que se practica en las tuberías son las perforaciones y las ranuras, mismas que pueden ser realizadas con taladros o discos. Las dimensiones de las perforaciones dependen de las características del conducto. Según la publicación "The Desing of Small Dams", del "The Bureau of Reclamation", la relación que debe existir entre la mayor dimensión de la abertura y el tamaño de los granos del filtro está dada por la siguiente expresión (5): 𝐷!" !" !" !"#$# !"# !"#$%&"' !"#$%&'$( ∗ 𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑜 𝑑𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑎𝑏𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑎𝑠 ≥ 2 (*) D85 es el tamaño de la abertura del tamiz por donde pasa el 85 por ciento en peso del material filtrante. A su vez, la relación de diámetros entre el material filtrante y el material granular del acuífero debe ser igual o menor a cinco. 𝐷!" !" !" !"#$# !"# !"#$!"#$ !"#$%&'$( 𝐷!" !"# !"#$%&"' !"#$%&#" !"# !"#í!"#$ ≤ 5 La distribución de las aberturas se hace de forma tal que no reduzca sustancialmente la resistencia a las cargas externas del conducto original. Se recomienda que tanto las perforaciones como las ranuras se distribuyan uniformemente en el área perimetral, tal como se muestra en la Figura 13, lo que evita la creación de zonas débiles por donde podría fallar la tubería.
  • 15. Galerías filtrantes 15 Figura 13. Tipo de perforaciones en colectores y sus uniones Ancho de ranura 5 mm,espacio entre ranuras 5 mm ' Tramo para unión de drenes 145° 145° L Ancho de ranura 5 mm, espacio entre ranuras 5 mm ' Tramo para unión de drenes L ' Tramo para unión de drenes L 90° Ancho de ranura 5 mm, espacio entre ranuras 5 mm Ancho de ranura 5 mm y largo de ranuras 40-50 mm espacio entre ranuras 10 mm Diámetro de agujeros 10 mm, espacio entre agujeros 15 mm ' Tramo para unión de drenes L ' Tramo para unión de drenes L
  • 16. Galerías filtrantes 16 .Arreglo topológico de los colectores Tomando en cuenta las recomendaciones de diseño hidráulico antes mencionadas, se sugiere también el arreglo topológico de los drenes similar al espinazo de pescado (Figura 14). Para evitar el taponamiento de la tubería por sedimentación en zonas con acuífero de poco espesor y con recarga superficial, hay otros arreglos que se recomiendan tomando en cuenta la disponibilidad de terreno apto para la construcción como el sistema radial (Figura 15). Cabe aclarar que en todos los casos terminan en una cámara de captación para la distribución posterior del agua. Figura 14. Arreglo topológico de drenes. Figura 15. Disposición radial de los drenes, caja colectora y dique derivador. (Fuente: Álvarez, 2015 e imagen propia). Material graduado para filtros El material graduado para filtros es de gran importancia en el buen funcionamiento de las galerías de filtración. Su función principal es impedir que el material fino del acuífero llegue al interior del conducto sin afectar la velocidad de Vertedor Tubería de PVC hidráulico de Ø con perforaciones en tres bolillos @ x cm Codo de PVC de 4'' de Ø de 45° Yee de PVC Tapón de PVC de 4'' de Ø Tubería de PVC de 4"Ø Superficie de filtros Caja de captación Colector Caja de válvulas Colchón hidráulico Muro o dique derivador
  • 17. Galerías filtrantes 17 filtración, es decir, el material filtrante ha de ser mucho más permeable que el acuífero. Para la disposición del material filtrante en el Cuadro 6 se indican las recomendaciones que para el efecto existen. Cuadro 6. Granulometría del material filtrante. Capa Diámetro (pulgada) Espesor de la capa (pulgada)Mínimo Máximo 1 (fondo) 1 1 1/2 8 a 10 2 (medio) 1/2 1 12 3 (superior) 1/16 1/2 8 Fuente: Álvarez, 2015. Como se observa en el cuadro anterior, el espesor de cada una de las capas del filtro varía para lograr una filtración eficiente. Sin embargo, para evitar que durante la construcción queden tramos de conducto sin recubrimiento, puede ser necesario usar mayores espesores, lo cual no afecta el funcionamiento de los drenes, sino que más bien lo protege contra cualquier defecto constructivo, ya que a medida que aumenta el espesor de las capas del forro filtrante, disminuye el riesgo de que los granos más finos del acuífero sean arrastrados hacia el interior del conducto (Figura 16). Figura 16. Sección transversal del material graduado para filtros. Sello impermeable En las galerías ubicadas en las márgenes de los ríos o lagos y en los acuíferos con escurrimiento propio, es recomendable sellar la parte superior del relleno de la galería. El sello se ejecuta con material impermeable para evitar que el agua estancada se filtre hacia la galería y pueda contaminar el agua captada. Adicionalmente, la función del sello impermeable es aumentar la longitud del recorrido del agua superficial a través de la masa de suelos, y así mejorar su calidad física y bacteriológica. El sello impermeable puede estar formado por una capa de arcilla de unos 30 centímetros de espesor. Este sello se puede complementar colocándole en su parte inferior papel impermeable o geo-membrana. Para evitar que el agua superficial se estanque, se recomienda que la capa impermeable quede en un nivel un poco más alto que el terreno circundante, y con una pendiente que facilite el drenaje del agua superficial fuera del área donde se ubica el dren como se muestra en la Figura 17.
  • 18. Galerías filtrantes 18 Figura 17. Sello impermeable en la galería. Pozo colector o caja de captación La función de este pozo o caja de captación es reunir el agua drenada por la galería de filtración y facilitar, si fuera el caso, bombearla. El pozo o caja puede ser circular o rectangular, y sus dimensiones deben permitir a un hombre realizar labores tanto de limpieza como de mantenimiento de los conductos y válvulas de regulación de los drenes y de los equipos de impulsión. Es recomendable que el fondo del pozo se prolongue unos 60 cm por debajo de la boca de salida del dren, para permitir por un lado la acumulación de la arena que pudiera ser arrastrada por las aguas captadas y por otro facilitar el funcionamiento satisfactorio del equipo de impulsión del agua, si lo hubiera. Las paredes, el fondo y la parte superior deben ser fabricados de concreto reforzado y los acabados de las paredes y del fondo deben ser impermeables. La parte superior debe llevar una abertura para la instalación de una tapa de concreto o de fierro y, dependiendo de su profundidad, debe estar dotado de escalinatas para facilitar el acceso de un hombre al fondo del pozo (Figura 188). Figura 18. Galería filtrante, caja de captación y caja de operación de válvulas. (Fuente: imagen propia) En caso que la galería se encuentre ubicada en las márgenes de un curso o cuerpo de agua, y que el área donde se ubica el pozo esté sujeta a inundación durante grandes avenidas, se debe elevar la tapa del pozo colector hasta una altura mayor a la que pueda alcanzar el agua, para evitar la entrada de agua superficial y la contaminación del agua captada por la galería de filtración.
  • 19. Galerías filtrantes 19 Mantenimiento La conservación y mantenimiento sistemático de la galería es un asunto importante a considerar, lo cual permite garantizar un funcionamiento óptimo y duradero de la captación. Para ello, cada dos años o cuando no fluya el agua por taponamiento de los filtros, deberá realizarse una inspección técnica para evaluar el estado de la galería y del material filtrante, y las reparaciones se realizarán aprovechando el período de sequía. Una galería adecuadamente diseñada y construida debe operar sin problemas y libre de mantenimiento si se cumplen las siguientes reglas: • No extraer de la galería un mayor caudal de agua que el de diseño. • Limitar la depresión del nivel freático hasta 0.30 m por encima del conducto perforado. La extracción de caudales de agua mayores a los de diseño, conduce inevitablemente al ingreso de arena y turbiedad al forro filtrante, alterando su porosidad, el rendimiento de la galería y la calidad del agua. Cuando esta condición se presenta, es difícil realizar un mantenimiento efectivo, debiendo procederse al retiro del forro filtrante obstruido, lo cual equivale a construir una nueva galería. La vida útil de la galería puede ser conservada si se mantiene el caudal de extracción hasta una tasa que minimice la aparición de material fino con el agua captada. La limpieza del interior de la tubería de drenaje es una operación sencilla y, al efecto, se acostumbra emplear los dispositivos desarrollados en la limpieza de tuberías de alcantarillado sanitario. En caso de que no se cuente con este tipo de equipamiento, se pueden usar escobillas radiales tiradas de una soga desde las cámaras de inspección (3). Generadores de obra En el Cuadro 7 se muestran de manera enunciativa el catálogo de conceptos que corresponde para llevar a cabo los trabajos necesarios en la construcción de una galería filtrante. Cuadro 7. Conceptos para la construcción de una galería filtrante. DESCRIPCIÓN DEL CONCEPTO UNIDAD Limpia, trazo y nivelación de terreno con matorral espinoso y crasicaule con cobertura superior al 10% m 2 Excavación de forma manual o con maquinaria en material tipo II hasta una profundidad de 2.00 m. m 3 Achique con bomba autocebante de X" de X h.p. de gasolina h Plantilla de concreto hidráulico en un espesor de 5 cm, de concreto f'c = 100 kg/cm 2 resistencia normal y tamaño máximo de agregado de 19 mm. m 2 Concreto ciclópeo f'c=200 kg/cm 2 m 3 Cimbrado y descimbrado, incluye: nivelado, perfilado, achaflanado y la remoción de la misma al final del proceso m 2 Suministro de tubería de PVC hidráulico o del material conveniente, perforado en tres bolillo de acuerdo al área de diseño m Suministro de tubería de conducción del agua captada del mismo diámetro de la tubería ranurada m Suministro de tapón capa de PVC o del material elegido, para evitar la entrada de sedimentos a la tubería ranurada pieza Suministro de tee o ye de PVC hidráulico de acuerdo al diseño pieza Suministro de codo de PVC hidráulico de acuerdo a diseño de 45 o 90° pieza Instalación de tubería de "x" mm de diámetro, incluye: tendido e instalación de conexiones. m Suministro y colocación de piedra para filtros, piedra de tamaño medio de 1" a 1 1/2", incluye mano de obra y herramienta m 3 Suministro y colocación de grava para filtros, grava de1/2" a 1", incluye mano de obra y herramienta m 3 Suministro y colocación de arena para filtros de 1/16" a 1/2", incluye mano de obra y herramienta m 3
  • 20. Galerías filtrantes 20 Bibliografía 1. Álvarez B., 2015. Drenaje. http://barbara23alvarez.blogspot.mx/ consultado el día 16 de Septiembre de 2017 a las 17:12 horas. México. 2. Arteaga Tovar, R. E. 1993. Hidráulica Elemental. Departamento de Irrigación, Universidad Autónoma Chapingo. México. 3. CEPI, 2002. Manual de diseño de galerías filtrantes. Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente, Lima. 4. SEMARNAT, 2012. Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales. Informe de la Situación del Medio Ambiente en México. Compendio de Estadísticas Ambientales. Indicadores Clave y de Desempeño Ambiental. Edición 2012. México. 2013. 5. U.S. Department of the Interior. 1987. Design of small dams. Bureau of Reclamation. A water resources technical publication. USA. “GALERIAS FILTRANTES” Segunda Edición México, Noviembre 2017 Secretaría de Agricultura, Ganadería, Desarrollo Rural, Pesca y Alimentación Subsecretaría de Desarrollo Rural, Dirección General de Producción Rural Sustentable en Zonas Prioritarias Responsables de la Ficha Dr. Demetrio S. Fernández Reynoso (demetrio@colpos.mx) Dr. Mario R. Martínez Menes (mmario@colpos.mx) M.C. Hilario Ramírez Cruz (ramirezcruzhi@gmail.com) Ing. Ricardo Castillo Vega Ing. Sixto García Antonio Ing. Bulmaro Luis Martínez Colegio de Postgraduados. Carretera México-Texcoco, km 36.5 Montecillo, Edo. de México 56230 Tel. 01 (595) 95 2 02 00 (ext 1213)
  • 21. Galerías filtrantes 21 1 ANEXOS Anexo 1. Valores para la profundidad equivalente (d) de Hooghoudt (r = 0.1m, Hd y Dd expresados en metros. D/L 5 m 7.5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0.50 0.47 0.48 0.49 0.49 0.49 0.50 0.50 0.75 0.60 0.65 0.69 0.71 0.73 0.74 0.75 0.75 0.75 0.76 0.76 1.00 0.67 0.75 0.80 0.86 0.89 0.91 0.93 0.94 0.96 0.96 0.96 1.25 0.70 0.85 0.89 1.00 1.05 1.09 1.12 1.13 1.14 1.14 1.15 1.50 0.88 0.97 1.11 1.19 1.25 1.28 1.31 1.34 1.35 1.36 1.75 0.91 1.02 1.20 1.30 1.39 1.45 1.49 1.52 1.55 1.57 2.00 1.08 1.28 1.41 1.50 1.57 1.62 1.66 1.7 1.72 2.25 1.13 1.34 1.50 1.69 1.69 1.76 1.81 1.84 1.86 2.50 1.38 1.57 1.69 1.79 1.87 1.94 1.99 2.02 2.75 1.42 1.63 1.76 1.88 1.98 2.05 2.12 2.18 3.00 1.45 1.67 1.83 1.97 2.08 2.16 2.23 2.29 3.25 1.48 1.71 1.88 2.04 2.16 2.26 2.35 2.42 3.50 1.50 1.75 1.93 2.11 2.24 2.35 2.45 2.54 3.75 1.52 1.78 1.97 2.17 2.31 2.44 2.54 2.64 4.00 1.81 2.02 2.22 2.37 2.51 2.62 2.71 4.50 1.85 2.08 2.31 2.50 2.63 2.76 2.87 5.00 1.88 2.15 2.38 2.58 2.75 2.89 3.02 5.50 2.20 2.43 2.65 2.84 3.00 3.15 6.00 2.48 2.70 2.92 3.09 3.26 7.00 2.54 2.81 3.03 3.24 3.43 8.00 2.57 2.85 3.13 3.35 3.56 9.00 2.89 3.18 3.43 3.66 10.00 3.23 3.48 3.74 ∞ 0.71 0.93 1.14 1.53 1.89 2.24 2.58 2.91 3.24 3.56 3.88
  • 22. Galerías filtrantes 22 Continuación de Anexo 1. D/L 50 75 80 85 90 100 150 200 250 0.50 0.50 1.00 0.96 0.97 0.97 0.97 0.98 0.98 0.99 0.99 0.99 2.00 1.72 1.80 1.82 1.82 1.83 1.85 1.00 1.92 1.94 3.00 2.29 2.49 2.52 2.54 2.56 2.60 2.72 2.70 2.83 4.00 2.71 3.04 3.08 3.12 3.16 3.24 3.46 3.58 3.66 5.00 3.02 3.49 3.55 3.61 3.67 3.78 4.12 4.31 4.43 6.00 3.23 3.85 3.93 4.00 4.08 4.23 4.70 4.97 5.15 7.00 3.43 4.14 4.23 4.33 4.42 4.62 5.22 5.57 5.81 8.00 3.56 4.38 4.49 4.61 4.72 4.95 5.68 6.13 6.43 9.00 3.66 4.57 4.70 4.82 4.95 5.23 6.09 6.63 7.00 10.00 3.74 4.74 4.89 5.04 5.18 5.47 6.45 7.09 7.53 12.50 5.02 5.20 5.38 5.56 5.92 7.20 8.06 8.68 15.00 5.20 5.40 5.60 5.80 6.25 7.77 8.84 9.64 17.50 5.30 5.53 5.76 5.99 6.44 8.20 9.47 10.4 20.00 5.62 5.87 6.12 6.60 8.54 9.97 11.1 25.00 5.74 5.96 6.20 6.79 8.99 10.70 12.1 30.00 9.27 11.30 12.9 35.00 9.44 11.60 13.4 40.00 11.80 13.8 45.00 12.00 13.8 50.00 12.10 14.3 60.00 14.6 ∞ 3.88 5.38 5.76 6.00 6.26 6.82 9.53 12.20 14.7