Diseño Hidraulico de Pozos Tubulares

DISEÑO HIDRAULICO DE POZOS TUBULARES ESTUDIANTES: C O N SU S U E LO L O V A L E NT N T I N J U N IO IO R M E L E ND N D E Z C A L D ER E R Ó N S TA TA C Y V E GA G A M AM A M A N I J O S E L U IS IS

I.- EXTRA RAC CCIÓN DE LAS AGUAS SUBTERR ÁNEAS Se recurre a la explotación de las aguas subterráneas cuando éstos constituyen la única fuente de abastecimiento o cuando la disponibilidad de las aguas superf rfiicial ale es en calidad o en cantidad

es de defic ficien iente. te.

II.- DI II.DIST STRI RIBU BUCI CIÓN DEL AGUA EN EL PERFIL DEL SUBSUELO El agua del subsuelo que se encuentra en los intersticios o poros de las rocas se puede dividir en dos zonas principales: zona de aireación y zona de saturación.

A) Zona de Aireación, No Saturada o Zona Badosa: Se extiende desde la superficie de la tierra hasta el nivel al cual todos los poros o espacios abiertos del subsuelo se encuentran saturados de agua. Esta zona se puede subdividir en tres capas: La capa de agua del suelo, el borde capilar y la capa intermedia.

LA CAPA DE AGUA DEL SUELO:

•

Se

ubica

inmediatamente

debajo de la superficie. LA

•

CAPA

INTERMEDIA:

Se

encentra entre la capa de agua del suelo y el borde capilar. EL BORDE CAPILAR: Ocupa la

•

porción del fondo de la zona de

aireación

y

yace

inmediatamente sobre la zona de saturación.

B) Zona de Saturación: Conocida

también

como

acuífero o medio poroso saturado,

se

inmediatamente

ubica bajo

la

zona de aireación y puede extenderse

a

profundidades.

grandes

C) CALIDAD DEL AGUA SUBTERR ÁNEA. Las aguas utilizadas por el hombre, ya sean de superficie o subterráneas, presentan una serie de características físicas, químicas y bacteriológicas, que determinan lo que se llama “la calidad del agua”.

III.- HIDRAULICA DE POZOS 1.- Experiencia de Darcy Una cantidad de agua que fluía a través de una muestra de arena, era proporcional a diferencia de carga hidráulica de la entrada y salida (d h = h 1 – h2); e inversamente proporcional a longitud (L). Donde: Q = caudal que pasa a través de sección transversal A. A = área de sección transversal (m²); k = constante de proporcionalidad, equivalente a permeabilidad o conductividad hidráulica (m/d)

III.- HIDRAULICA DE POZOS 2.- Flujo Radial Hacia Pozos de Bombeo

En muchos casos el flujo subterráneo es en un mismo plano o en planos paralelos, por lo que se puede tratar como Flujo Bidimensional. Un caso es el del flujo de aguas subterráneas hacia un pozo que penetra totalmente en el acuífero, cuando se somete a un bombeo, este flujo es conocido como Flujo Radial.

III.- HIDRAULICA DE POZOS 3.- POZOS DE BOMBEO.

A continuación presentamos algunas definiciones sobre pozos: a.- Nivel Estático del Agua (Tabla de Agua). b.- Nivel Dinámico o de Bombeo. ND = NE + Sp

ND : Nivel dinámico, en m. NE : Nivel estático. (m) S : Abatimiento. (m) c.- Abatimiento. s = NE – ND d.- Rendimiento de un pozo.

III.- HIDRAULICA DE POZOS 4.- CLASIFICACION DE POZOS. a.- LOS POZOS TUBULARES

Los pozos tubulares son perforados con maquinaria especializada, por lo que su costo inicial puede ser alto, pero su rendimiento también lo es.

III.- HIDRAULICA DE POZOS 5.-Ecuaciones en la Hidráulica de Pozos: A. Régimen de Equilibrio o Permanente.

Constituyen la base del estudio dinámico de las aguas subterráneas en las proximidades de las obras de captación en régimen de equilibrio. Tenemos dos casos: - El de acuífero Libre. - El de acuífero Confinado.

III.- HIDRAULICA DE POZOS Caso 1: Acuífero Libre. S:

Descenso del nivel estático a la distancia “x” del eje del pozo, en el cono de depresión. (m) S0

: Máximo descenso (en el pozo). (m)

h0

: Altura del agua en el pozo. (m)

r0

: Radio del pozo. (m)

R

: Radio de influencia del pozo o alcance. (m)

Y:

Espesor del acuífero a la distancia “x” dentro del cono de depresión. (m)

H

: Espesor del acuífero. (m)

III.- HIDRAULICA DE POZOS Caso 2: Acuíferos Confinados. La ecuación DUPUIT para acuíferos confinados es. En función del descenso: S0 = H – h0 la ecuación se escribe como: De donde tenemos que el nivel dinámico es:

Y la ecuación de la curva de abatimiento o de depresión:

III.- HIDRAULICA DE POZOS a.- Ecuación de JACOB

Donde: Sf : Abatimiento debido a pérdidas en la formación del acuífero. (m) Q : Gasto de explotación. (m3 /s) T : Transmisividad hidráulica. (m2 /d)

Para μ  ≤ 0.01; ”μ ” se determina similarmente a la ecuación de Theis. Además el radio de influencia es:

t : Tiempo de bombeo. (s) S : Coeficiente de almacenamiento. (Adimensional) r0 : Radio del pozo (m) R : Radio de influencia o alcance del pozo. (m)

VI.- DISEÑO DE POZOS 1. Pasos a seguir en el Diseño de Pozos: 1.1. Características del acuífero 1.2. Ubicación del Pozo 1.3. Diseño Hidráulico 1.4. Diseño Físico del Pozo y Condicionamientos en su Construcción.

VI.- DISEÑO DE POZOS 2.- Características del Acuífero 2.1. Estratigrafía del Acuífero Se determina mediante métodos de Prospección Geofísica, o durante el proceso de excavación. 2.2. Determinación de los Parámetros Hidrodinámicos

VI.- DISEÑO DE POZOS 3.- Ubicación o Localización de Pozos Para la localización de pozos se tienen en cuenta dos aspectos: a. Los estudios de exploración para la ubicación de fuentes de agua subterránea (acuíferos). b. Ubicación del pozo en relación con posibles fuentes de contaminación.

VI.- DISEÑO DE POZOS 4.- Diseño Hidráulico de Pozos Es conocido también como cálculo hidráulico y consiste en la determinación del abatimiento o descenso total en las paredes del pozo; es decir, la determinación de la posición del nivel dinámico.

VI.- DISEÑO DE POZOS Donde: Sp : Abatimiento total en el pozo. (m) Q : Pérdidas de carga por flujo laminar en el acuífero. (m) CQn : Pérdidas de carga por turbulencia (m) Q : Caudal de bombeo en el pozo. (m3 /seg.) B : Coeficiente de tortuosidad de las trayectorias de las partículas fluidas. C : Coeficiente que depende de la calidad constructiva del pozo. n : Exponente que depende de la turbulencia del flujo.

VI.- DISEÑO DE POZOS °

1 Descenso o abatimiento por pérdidas en la formación del acuífero: Sf Donde: Q : Caudal de bombeo. (Lt/seg) T : Transmisividad. (m2 /seg) t : Número de horas de bombeo. (seg) r : Radio del pozo. (mts) S : Coeficiente de almacenamiento. (Adimensional)

Donde: S f : Abatimiento corregido para el caso de acuífero libre. (m) ´

Sf : Abatimiento debido a pérdidas en la formación del acuífero para acuíferos confinados. (m) m : Espesor del acuífero. (m)

VI.- DISEÑO DE POZOS 2° Abatimiento por pérdidas por interferencia con otro pozo: Si Donde: T : Transmisividad. (m2 /seg) Qi : Caudal de bombeo de cada pozo. (Lt/seg) ti : Número de horas de bombeo de cada pozo. (seg) di : Distancias a cada pozo. (mts) S : Coeficiente de almacenamiento. (Adimensional)

VI.- DISEÑO DE POZOS 3° Abatimiento por condiciones de borde: Sb. Donde: Q : Caudal de bombeo. (Lt/seg) T : Transmisividad. (m2 /seg) t : Número de horas de bombeo. (seg) db: Distancia del pozo a la capa impermeable. (m) S : Coeficiente de almacenamiento. (Adimensional)

VI.- DISEÑO DE POZOS 4° Abatimiento por penetración parcial en el acuífero. Spp. Donde: Q :Caudal de diseño. (m3 /seg) P : Razón de penetración del pozo = Lr/m Lr : Longitud de rejilla. (m.) m : Espesor del acuífero. (m) T : Transmisividad. (m2 /seg.) r : Radio del pozo. (m) α : Coeficiente en función P y e (se obtienen de la tabla 2.12)

e :Razón de excentricidad de la rejilla = L/m L : Distancia entre el centro del acuífero y el centro de la rejilla.

VI.- DISEÑO DE POZOS 6° Recuperación del abatimiento por fuente de recarga ya sean naturales o artificiales: Sr

Donde: Q : Gasto de explotación desde el pozo. (m3 /seg) T : Transmisivilidad hidráulica. (m2 /seg.) t : Tiempo de bombeo. (seg) S : Coeficiente de almacenamiento. (Adimensional) dr : Distancia del pozo hasta el punto de recarga. (m)

VI.- DISEÑO DE POZOS 5.- Diseño Físico de Pozos y condicionamientos en su Construcción Su construcción dependen del tipo de pozo y de las condiciones y características que presente el terreno. A. Profundidad de Pozos: B. Perforación de Pozos: B.1. Método Artesanal (Excavación) B.2. Perforación a Rotación B.3. Perforación a Percusión Conveniente

VI.- DISEÑO DE POZOS C. Entubado y Revestimiento en Pozos. C.1. Entubado: C.2. Revestimiento Para el revestimiento de pozos se presenta a continuación dos métodos: a. Revestimiento mediante albañilería fija b. Revestimiento con tubos prefabricados de concreto

VI.- DISEÑO DE POZOS D. Diámetro

D.2. Diámetro de la Perforaci ón.

D.1. Diámetro del Pozo.

dp

2a

2b

d

Donde: dp : Diámetro de la perforación. (m) a : Espesor del relleno d grava, según EMILIO CUSTODIO, dicha distancia está en función al espesor de relleno de grava a colocar (Cuando este es necesario) y debe ser de 8 a 20 cm. de espesor. b : Espesor de la pared del pozo. (m) d : Diámetro del pozo en diseño. (m)

VI.- DISEÑO DE POZOS E.2.Tamaño de Ranura de Rejilla

E. Rejillas o Filtros E.1. Longitud de Rejilla → Acuíferos

→

libres

Acuíferos confinados

Donde: P rej : profundidad final de la rejilla. (m). NE : nivel estático bajo en nivel del terreno. (m)

Dx : diámetro correspondiente al porcentaje “i” que pasa, según en el análisis granulométrico. Cu : Coeficiente de uniformidad, razón del tamaño D60 al tamaño D10 del material.

VI.- DISEÑO DE POZOS E.3 Diámetro y Área Abierta de la Rejilla

Donde: Ae : Área abierta efectiva de la rejilla. (cm/m) de longitud de rejilla. Q : Caudal del pozo. (Lt/seg) Lr : Longitud optima de la rejilla (m) v : Velocidad óptima de entrada del agua en la rejilla en (cm/seg.) En general se considera que: Ae  = 0.5 a

VI.- DISEÑO DE POZOS F. Relleno De Grava (Prefiltro). F.1.Casos en los que se requiere los rellenos de grava F.2.Selección del relleno de grava Según WALTON:

Donde: Dipf : Diámetro del prefiltro Dima : Diámetro del material del acuífero.

Luego se puede escribir:

EJEMPLO DE DISEÑO PRELIMINAR DE UN POZO TUBULAR El diseño que se hace del pozo antes de su excavación es preliminar debido a que las características y condiciones reales exactas solo se pueden determinar después ó durante la excavación del pozo, mediante la prueba de bombeo. El objetivo principal del diseño de pozos es el de conseguir la mejor combinación de rendimiento, vida útil y costo de perforaci ón del pozo.

1.- Datos Básicos para el diseño: A) Tipo de pozo: Tubular B) Características Hidrodinámicas: - Transmisividad hidráulica :

T = 0.26 x 10-2 m2 /seg.

- Coeficiente de Permeabilidad :

K = 0.60 x 10-4 m/seg.

- Coeficiente de almacenamiento :

S = 0.26%  0.0026

- Espesor del acuífero (H = T/K) :

H = 52.40 m.

- Condiciones constructivas buenas: C = 1000 seg2 /m5 - Tipo de acuífero :

Acuífero libre y superficial

- Nivel estático :

NE = 151.85 msnm. (4.5 m.)

- Nivel del terreno :

NT = 156.35 msnm.

EJEMPLO DE DISEÑO PRELIMINAR DE UN POZO TUBULAR C) Características Hidráulicas: - Gasto de explotación:

Qb = 5.00 l/s = 0.005 m3 /seg.

- Tiempo de bombeo:

tb = 6 horas 25 min./día = 23100 seg.

D) Características Interactuantes El sitio donde se prevé la perforación hace predecir las siguientes influencias: a) Interferencia con un borde impermeable distante a 145 m. b) Influencia de una fuente de recarga distante a 1660 m. c) No existe interferencia de otro pozo de bombeo.

EJEMPLO DE DISEÑO PRELIMINAR DE UN POZO TUBULAR F) Características Litológicas:

PROFUNDIDAD (m) 0.00 – 1.50 1.50 – 8.00 8.00 – 25.00 25.00 – 52.00

MATERIAL Limo + Arcilla (terreno de cultivo) arena + grava arena + grava sub-angular arena + grava + piedra redondeada.

EJEMPLO DE DISEÑO PRELIMINAR DE UN POZO TUBULAR 2.- Procedimiento de Diseño Hidráulico: Para el diseño hidráulico es necesario conocer el diámetro del pozo a diseñar y la longitud de la rejilla del mismo: a.-Diámetro del Pozo:

b.-Longitud de la Rejilla:

En pozos tubulares el diámetro se determina mediante la tabla N° 9 en función del caudal de diseño:

Según Emilio Custodio para acuífero libre la longitud de la rejilla debe ser del tercio a la mitad del espesor de la capa acuífera:

Para un caudal de bombeo de : /seg.

Entonces:

1/3H  Lr 1/2H

En donde

H = 52.40 m.

Diámetro del pozo :

Radio del pozo :

Qb = 0.005 m3 D = 6” = 0.15 m.

r = 0.075 m.

Por lo tanto

17.47m.  Lr  26.20m.

De este rango de valores adoptamos: Lr = 20.00m.

EJEMPLO DE DISEÑO PRELIMINAR DE UN POZO TUBULAR c.-Determinación del abatimiento del pozo: Sp . N . Sp  = BQ +CQn Donde: BQ = Perdidas de carga por flujo laminar en el acuífero CQn = Perdidas de carga por turbulencia en procesos constructivos. Determinación de: BQ = Sf  + Si + Sb + Spp  + Sd + Sr

EJEMPLO DE DISEÑO PRELIMINAR DE UN POZO TUBULAR 1° Descenso o abatimiento por pérdidas en la formación del acuífero:

EJEMPLO DE DISEÑO PRELIMINAR DE UN POZO TUBULAR 2° Abatimiento por pérdidas por interferencia con otro pozo:

3° Abatimiento por condiciones de borde:



No se considera abatimiento por condiciones de borde.

EJEMPLO DE DISEÑO PRELIMINAR DE UN POZO TUBULAR 4° Abatimiento por penetración parcial en el acuífero

Donde:



en función de P Y e (tabla)= 0.33

EJEMPLO DE DISEÑO PRELIMINAR DE UN POZO TUBULAR 5° Abatimiento por pérdidas debido a desagüe: Cuando existe un punto conocido de desagüe, que puede ser un manantial.

En la zona no existe. Entonces se puede usar la siguiente ecuación.

EJEMPLO DE DISEÑO PRELIMINAR DE UN POZO TUBULAR 6° Recuperación del abatimiento por recarga: }

Determinación de: Por consiguiente el descenso total es:

no hay recarga de rio.

El abatimiento total del pozo es 5.395 m.

EJEMPLO DE DISEÑO PRELIMINAR DE UN POZO TUBULAR d.- Ubicación del nivel dinámico (ND): ND = NE + Sp = 4.50 + 5.395 = 9.895 m. ND= 9.90 m. Por debajo del nivel del Terreno. e.- Determinación del Radio de Influencia: