Dimensionamiento de sondajes. Considerando que en sondajes profundos, su caudal específico varía sólo en forma aproximadamente logarítmica en función del diámetro, desde el punto de vista económico, el diámetro recomendable será el menor posible, el cual queda determinado por el diámetro de la bomba que irá en su interior. El diámetro de la bomba, a su vez, depende del fabricante, pero se incrementa con el caudal que la bomba es capaz de elevar. Es conveniente dejar una huelga “h” entre el diámetro de la bomba y el de la entubación, para prevenir posibles desalineamientos del sondaje, con valores del orden de 2”<h<4” Luego, si el diámetro de la bomba es Db , el diámetro de la entubación será Dt = Db + h Entre la entubación definitiva y el diámetro de la perforación, normalmente se colocará un filtro que evite el ingreso de partículas del suelo arrastradas por el agua al sondaje. El espesor de de este filtro “e” se recomienda que no sea mayor que 2” o 5 cm, por lo que en definitiva, el diámetro de perforación será Dp = Dt +2e = Db + h +2e La Tabla Nº1 da un rango de valores típicos de diámetros de entubación recomendados para distintos caudales de explotación. Si este caudal es incierto, conviene ser optimista en cuanto al rendimiento del pozo y no quedar posteriormente limitado por falta de espacio para la instalación de la bomba. Tabla Nº1 Diámetros de entubamiento Rendimiento Diámetro nominal esperado del pozo de la bomba l/s pulgadas <6 4 5 a 12 5 9 a 24 6 22 a 40 8 35 a 55 10 50 a 80 12 75 a 110 14 100 a 180 16 > 180 18 Diámetro mínimo de Diámetro recomendado de entubación entubación Pulgadas Pulgadas 5 DI 6 DI 6 DI 8 DI 8 DI 10 DI 10 DI 12 DI 12 DI 14 DE 14 DE 16 DE 16 DE 20 DE 20 DE 24 DE 24 DE 30 DE 2.- Profundidad del sondaje La profundidad del sondaje incide en forma aproximadamente lineal en los costos, por lo que su determinación dependerá del caudal que se desee extraer. Si se pretende lograr el máximo caudal posible, entonces, en acuíferos homogéneos la profundidad recomendable será la de un pozo de penetración total, es decir, que atraviese totalmente el acuífero hasta la roca basal o estrato confinante inferior. Es común sin embargo, que los acuíferos vayan disminuyendo su permeabilidad en profundidad, en cuyo caso conviene considerar la alternativa de perforar dos pozos adecuadamente distanciados, de una profundidad menor. 3.- Diseño de filtros. El uso de filtros cumple dos objetivos: a) Como su permeabilidad es normalmente mucho mayor que la del acuífero, aumenta el diámetro efectivo del pozo el cual se comporta hidráulicamente como si su diámetro fuese el de perforación, permitiendo entubar en un diámetro más pequeño, lo que es económicamente conveniente. b) El filtro cumple además la función de evitar el arrastre de material sólido hacia el interior del pozo, lo que le resta calidad al agua y daña las bombas. Salvo el uso de bombas especiales, no se acepta en general más de 50 p.p.m. de sólidos suspendidos. El espesor del filtro no debe ser muy grande porque dificulta la faena de desarrollo del pozo. En general basta el menor espesor que fijen los métodos de construcción del pozo y de colocación del filtro, magnitud que es del orden de 5 cm. No se recomiendan espesores mayores de 20 cm porque la faena de desarrollo se puede tornar impracticable. Granulometría del filtro. Para la determinación de los diámetros y granulometría más adecuada de filtros en general, frecuentemente se aplican los criterios propuestos por Terzaghi, quien recomienda las siguientes especificaciones. 1) 5 d15B d15F 40d15B , es decir, el diámetro de malla por el cual pasa el 15% del material del filtro debe estar comprendido entre 5 y 40 veces diámetro que pasa 15% del material base. 2) d 5F 0.074mm (malla200) , es decir, el filtro no debe contener más de 5% de finos, limos y arcillas. 3) d15F 5 d 85B 4) d 85F 2 d criba , es decir, el diámetro 85% que pasa del filtro debe ser mayor que 2 veces el tamaño de la abertura del ranurado o criba del pozo. F 5) d max 3" , es decir, el filtro no debe contener partículas de más de 3” de diámetro 6) Las curvas granulométricas del filtro y del material base deben ser en lo posible paralelas. En el caso de filtros de pozos, que son de pequeño espesor y que además a veces deben dejarse caer por gravedad decenas de metros es muy difícil lograr las especificaciones de Terzaghi o en caso de que se logren, es muy difícil poder determinar si acaso se pierden por disgregación del material en su caída. Por ello a menudo se recurre a especificaciones menos exigentes que cumplan los siguientes requisitos: 1.a) d 30F 4 d 30B 1.b) d F 30 6d F 60 F 10 B 30 d 2.5 d entre 1.7 y 2.5 3) d10F d criba 2) 1.7 para suelos de granulometría uniforme para suelos de granulometría extendida es decir, el coeficiente de uniformidad del filtro debe estar comprendido 4. Dimensionamiento de ranurados o cribas para pozos. La tubería definitiva del pozo, que contendrá la bomba, no puede ser ciega sino que debe tener aberturas en su manto que permitan la entrada del agua al pozo, sin arrastre de material sólido. Además deben ser dimensionadas de manera que la tubería no pierda resistencia mecánica ni química (corrosión) y que no generen excesivas pérdidas de carga en la entrada del agua. Para cumplir estos propósitos pueden utilizarse simplemente ranurados longitudinales efectuados con galleta en el manto del tubo o puede recurrirse a cribas o cedazos de captación prefabricados. Las ranuras son más económicas pero más ineficientes. Tienen un tamaño mínimo de abertura del orden de 2 mm y el porcentaje ranurado oscila entre un 5 y un 15% del área total, para no debilitar demasiado la resistencia de la tubería. Además el corte, normalmente irregular, favorece las incrustaciones. El espesor de la ranura recomendado es de d ranura d10F d ranura 1 B d 85 2 o si no se utiliza filtro, o d85F 2 d ranura de acuerdo a los criterios para el diseño de filtros. Las cribas prefabricadas, aún cuando más caras, logran un porcentaje de abertura mayor y son resistentes química y mecánicamente. Las Tablas Nºs 2, 3 y 4 entregan valores de abertura específica y porcentaje de abertura “p” para cribas marca Johnson Inc. en función del diámetro de la criba y su abertura. La abertura de la criba o “slot” se mide en milésimas de pulgada; asi una criba SLOT 100 tiene una abertura de 0.1” o 2.54 mm. La abertura SLOT 40, que es la más comúnmente utilizada tiene una abertura del orden de 1 mm. Longitud requerida para la criba o ranurado. La velocidad de entrada del agua recomendada para evitar pérdidas de carga excesivas es de v<5 cm/seg. Luego, para un caudal de diseño de Q m3/seg, el área de aberturas requerida será de a Q m2 0.05 Para una abertura específioca de cribas de A m2/m, (Tabla 3), la longitud de criba resulta L a Q m ; L m A 0.05A Alternativamente, si el porcentaje de aberturas de la ranura o de la criba es p% (Tabla 4), la longitud de criba requerida es L 100Q m 0.05 D p donde D es el diámetro de la criba en metros y p está en porcentaje. Tabla Nº 2 DIAMETRO SLOT 10 pulgadas 3 4 5 6 8 10 12 14DE 15DE 16DE 18DE 20DE 24DE 26DE 30DE 36DE ABERTURAS DE CRIBAS JOHNSON INC. PARA POZOS SLOT SLOT SLOT 20 SLOT 40 SLOT 60 SLOT 80 100 150 e=0,25 mm e=0,51 mm e=1,02 mm e=1,52 mm e=2,03 mm e=2,54 mm e=3,81 mm sq inch/ft 10 14 18 21 28 36 42 38 39 35 39 47 46 49 57 65 sq inch/ft 19 26 33 39 51 65 77 71 76 69 78 88 87 91 108 124 sq inch/ft 32 44 55 65 87 110 130 123 132 123 139 156 158 166 192 224 sq inch/ft 42 57 72 85 113 143 170 163 175 164 186 209 217 227 268 307 sq inch/ft 43 58 73 87 116 147 174 177 190 171 193 218 266 278 329 376 sq inch/ft 55 74 94 111 131 166 180 198 217 198 224 252 307 321 379 434 sq inch/ft 65 88 112 132 160 203 223 251 268 250 283 318 389 406 480 550 Tabla Nº 3 DIAMETRO pulgadas 3 4 5 6 8 10 12 14DE 15DE 16DE 18DE 20DE 24DE 26DE 30DE 36DE SLOT 10 m2/m 0,021 0,030 0,038 0,044 0,059 0,076 0,089 0,080 0,083 0,074 0,083 0,099 0,097 0,104 0,121 0,138 ABERTURAS DE CRIBAS JOHNSON INC. PARA POZOS SLOT 20 SLOT 40 SLOT 60 SLOT 80 SLOT 100 SLOT 150 m2/m m2/m m2/m m2/m m2/m m2/m 0,040 0,068 0,089 0,091 0,116 0,138 0,055 0,093 0,121 0,123 0,157 0,186 0,070 0,116 0,152 0,155 0,199 0,237 0,083 0,138 0,180 0,184 0,235 0,279 0,108 0,184 0,239 0,246 0,277 0,339 0,138 0,233 0,303 0,311 0,351 0,430 0,163 0,275 0,360 0,368 0,381 0,472 0,150 0,260 0,345 0,375 0,419 0,531 0,161 0,279 0,370 0,402 0,459 0,567 0,146 0,260 0,347 0,362 0,419 0,529 0,165 0,294 0,394 0,409 0,474 0,599 0,186 0,330 0,442 0,461 0,533 0,673 0,184 0,334 0,459 0,563 0,650 0,823 0,193 0,351 0,481 0,588 0,679 0,859 0,229 0,406 0,567 0,696 0,802 1,016 0,262 0,474 0,650 0,796 0,919 1,164 Tabla Nº 4 PORCENTAJE DE ABERTURAS DE CRIBAS JOHNSON INC. PARA POZOS SLOT DIAMETRO SLOT 10 SLOT 20 SLOT 40 SLOT 60 SLOT 80 100 pulgadas % % % % % % 3 9 17 28 37 38 49 4 9 17 29 38 38 49 5 10 18 29 38 39 50 6 9 17 29 38 38 49 8 9 17 29 37 38 43 10 10 17 29 38 39 44 12 9 17 29 38 38 40 14 7 13 23 31 34 38 15 7 13 23 31 34 38 16 6 11 20 27 28 33 18 6 11 20 27 28 33 20 6 12 21 28 29 33 24 5 10 17 24 29 34 26 5 9 17 23 28 33 30 5 10 17 24 29 34 36 5 9 17 23 28 32 SLOT 150 % 57 58 59 58 53 54 49 48 47 41 42 42 43 41 42 41 Ejemplo: De un acuífero con la siguiente granulometría, se desea extraer un caudal de 30 l/s. Dimensionar el sondaje, el filtro y la criba. d90= 13 mm d50= 1.5 mm d10= 0.2 mm a) Diámetro del sondaje: De la Tabla Nº 1, para un caudal de 30 l/s, se estima un diámetro de bomba de 8”, un diámetro de entubación de 12” y considerando un filtro de e= 5 cm, resulta un diámetro de perforación de 16”. b) Características del filtro: Interpolando la curva granulométrica del material, se obtiene aproximadamente d 30B 0.5 mm; d 60B 2.6 mm Luego se considera un filtro de las siguientes características: d 30F 6 d 30B = 3 mm Considerando una curva granulométrica del filtro paralela al material base, resultaría d 60F 16mm; d10F 1.2 mm , lo que da un coeficiente de uniformidad Cu=13.3 , excesivamente extendido. Por lo que se adopta Cu= 2.5, con d 60F 3.8 mm; d10F 1.5 mm c) Slot de la criba Considerando d10F d criba , resulta dcriba < 1.5 mm, sea SLOT 40 = 1 mm d) Longitud de criba requerida L a Q m ; L m A 0.05A De la Tabla 3, para D=12” y Slot 40, se obtiene A=0.275, luego L 0.03 2.18m 0.05 * 0.275 sea L=2.5 ,mts Alternativamente, de la Tabla Nº4, para D=12” y Slot 40, se obtiene p=29%, luego L 100Q m > 2.16 m, 0.05 D p sea L=2.5 Si se utiliza ranurado en vez de criba, con una abertura mínima de 2 mm, el filtro debiera ser algo más grueso. Respetando la relación d10F d ranura , se adopta d10F 2.5mm. Respetando la dimensión, d30 = 3 mm y adoptando un coeficiente de uniformidad Cu =1.8, resulta un d60 = 4.5 mm. El largo de ranurado requerido sería en este caso, considerando un porcentaje de abertura de p=10%, L 100Q m > 6.27 m, 0.05 D p sea L=6.5 Ubicación de la bomba y de la criba o ranurado La criba o ranurado debe ubicarse enfrentando a los estratos más permeables del acuífero, bajo la cota del nivel dinámico del agua en el pozo. La cota de la aspiración de la bomba debe ubicarse en lo posible a más de un metro bajo este nivel dinámico, para evitar aspiración de aire y su ubicación debe coincidir en lo posible con un tramo mínimo del orden de 1.5 metros de tubería ciega entre dos tramos ranurados, a fin de obligar la circulación de agua dentro del pozo, lo que favorece la refrigeración de la bomba. Si existen más estratos permeables, es aconsejable ubicar cribas frente a ellos, aunque se exceda la longitud mínima requerida.