consideraciones para el dimensionamiento del equipo well po

Mansen + Kuroiwa Ingenieros Asociados S.A.C. ARSA

CONSIDERACIONES PARA EL DIMENSIONAMIENTO DEL EQUIPO WELL POINT – SUB ESTACIÓN TRAPECIO – CHIMBOTE, ANCASH

1. Antecedentes

Con la finalidad de suministrar energía eléctrica doméstica a las nuevas

urbanizaciones del sur de Chimbote (Ancash), la compañía Alstom Perú

S.A. (Alstom) contrató los servicios de ARSA para construir la Sub

Estación Trapecio. Esta subestación está ubicada en una zona en la

que la napa freática es alta. Alstom contrató los servicios de Geotecnia

y Pavimentos E.I.R.L (G&P) para realizar un diagnóstico de las

condiciones de cimentación del terreno. Además de realizar el análisis

de la capacidad portante del suelo y el potencial de licuefacción, G&P

recomendó la aplicación del método Well Point para realizar el

abatimiento de la napa freática y llevar a cabo el mejoramiento de las

condiciones del suelo que subyace a la Subestación Trapecio. ARSA

contrató los servicios de Mansen + Kuroiwa Ingeniros Asociados S.A.C

(M+K) para realizar una evaluación del uso del equipo de Well Point.

Este informe presenta los resultados iniciales del análisis en los que se

ha evaluado la aplicabilidad del método de Well Point así como el

diagnóstico del uso del equipo que se ha considerado para abatir la napa

freática en la zona de trabajo.

2. Aplicabilidad del método Well Point

La aplicabilidad del método de Well Point para abatir la napa freática

durante los procesos de excavación ha sido estudiada por la Morretrench

American Corporation. En la publicación “Dewatering and Groundwater

Control” (del Departamento del Ejército de los Estados Unidos (1983) se

incluyen los criterios de la Morretrench American Corporation para la

selección del método del método de abatimiento de la napa freática

utilizando como criterio la distribución granulométrica del suelo.

En la Figura 1 se ha comparado el suelo de la Sub Estación Trapecio,

Chimbote (en líneas punteadas) con los husos que se proponen como

límites de aplicabilidad del método de Well Point y los límites que se

consideran para el drenaje por gravedad y drenaje lento por gravedad

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(cuyos marcadores son triángulos). Por debajo del drenaje lento por

gravedad es impráctico usar métodos de drenaje por gravedad. En la

figura se observa que en el suelo predominante en trapecio es posible

utilizar métodos de drenaje por gravedad y que además la distribución

granulométricas cae dentro de los límites en los que se pueden usar pozos

o well point, sobre todo los límites inferiores del huso, que se consideran

que son los que influyen mayormente en la impermeabilidad del suelo.

Comparación de Suelo de Trapecio vs Condiciones de Drenaje

0

20

40

60

80

100

0.010.1110

ds (mm)

% q

ue

pas

a en

pes

o

Límite superior Drenaje por gravedad normal Drenaje lento por gravedad Suelo Trapecio

Drenaje por gravedad

Drenaje lento por gravedad

Pozos o well-points

Figura 1. La figura muestra los límites de aplicabilidad del drenaje por gravedad. La distribución granulométrica de la muestra M-2, que es la más representativa se muestra en líneas punteadas.

Cedergren (1977) afirma que la técnica de Well Point se ha usado con

mayor eficacia para abatir la napa freática en arenas gravosas, arenas,

arenas limosas y suelos similares. Por otro lado, en Soil Mechanics in

Engineering Practice (Terzagui, Peck y Mesri, 1996) se recomienda que en

principio se evalúe la permeabilidad del suelo. Como regla práctica se

recomienda el uso de una bomba autocebante de 150 mm por cada 200 m

de línea de punteras (well points). Si la carga no es excesiva puede usarse

un motor de 15 kW. Si la napa se va a abatir más de 5 metros no se puede

usar una sola línea de punteras, por lo que se usarán líneas adicionales.

Esto implica abatir la napa freática hasta un nivel de 5 m y luego colocar

una segunda línea de punteras para continuar abatiendo la napa freática

hasta el nivel deseado. Si la napa freática se va a abatir menos de 5 m, una



línea de punteras es suficiente. En el presente estudio se ha considerado

abatir la napa freática 1.5 m.

3. Cálculos para el dimensionamiento y verificación del equipo a

usarse.

Para realizar la verificación del equipo que se va a utilizar, se realizaron

cálculos basados en conceptos teóricos y prácticos expuestos en “Dewatering

and Groundwater Control”. En algunos casos se han comparado valores

obtenidos de manera indirecta para realizar una estimación conservadora de

las variables hidráulicas necesarias para verificar el uso del Well Point. Los

trabajos de mejoramiento de la cimentación se realizarán en dos áreas

separadas: de 32.5 m x 8 m y de 43 m x 7 m. En los cálculos se verificará el

comportamiento de la bomba en el caso más crítico, que ocurre en el terreno

de mayores dimensiones.

Napa freática a abatirse

El nivel de la napa freática se encuentra original se encuentra a 5.0 m.s.n.m,

siendo el nivel final requerido 3.5 m.s.n.m. Por este motivo, para fines de

cálculo se considerará que la napa freática se abatirá hasta el nivel 3.0

m.s.n.m. Los estudios realizados por G & P indican que existe suelo por lo

menos hasta una profundidad de 10 m. Al no existir el dato de profundidad del

estrato impermeable subyacente al suelo del terreno, se asumirá en principio

que se encuentra a 50 m por debajo del nivel del mar para fines de cálculo.

Los errores inducidos por la falta de datos y las incertidumbres en las variables

se corregirán en campo al realizarse las primeras pruebas.

Permeabilidad

En la siguiente tabla se muestra el cálculo de la permeabilidad usando la

fórmula k (cm/s) = 100 d102, d10 se expresa en centímetros.

Tabla 1. Estimación de permeabilidad

d50 (mm) 0.207d10 (mm) 0.132d10 (cm) 0.0132k (cm/s) 0.0174



El valor calculado anteriormente fue comparado con los valores obtenidos por

Morris y Johnson (en McWhorter y Sunada, 1967). Para una arena fina, los

valores de conductividad hidráulica varían entre 0.2 x 10–4 y 189 x 10–4 cm/s,

asignándosele un valor promedio de 2.88 x 10-3 cm/s. El valor obtenido

anteriormente es 1.7 x 10-2 cm/s, el cual se adoptará en los cálculos porque

una permeabilidad mayor arrojará valores más conservadores de caudal y de

pérdidas en la línea de conducción.

Cálculos de caudal unitario (Qp/x), caudal por puntera (Qw), caudal total

(Q) y abatimiento inicial (ho)

Se ha calculado el caudal necesario para abatir la napa freática y las pérdidas

que ocurrirían en el sistema de bombeo, usando el área del terreno de mayor

tamaño. Los cálculos usando dos métodos distintos se resumen en los Anexos

A.1 y A.2, habiéndose obtenido resultados similares en ambos casos. En los

cálculos del Anexo A se ha asumido un espaciamiento de 3 m. Se estima que

el caudal de diseño es 47.45 l/s (752.17 gpm) y que habrá una pérdida por

fricción en la tubería maestra de 6” (15 cm) y en las punteras de

aproximadamente 2 m. Para fines de simplificación se ha calculado la fricción

en la línea con el caudal total a ser evacuado, lo que resulta en una estimación

conservadora. Considerando que se necesitará impulsar el caudal

aproximadamente 2 m en la línea, es necesario contar con una capacidad de

succión de 4 m para poder conducir el flujo hacia la bomba. En el Apéndice B

se incluyen las curvas características de la bomba de Well Point. Para el

caudal estimado, la carga disponible es de aproximadamente 85 pies (25.9 m)

y la succión disponible es de 27 pies (5.1 m). Por lo tanto, los cálculos

realizados indican que es posible utilizar el equipo disponible para abatir la

napa freática en la localidad de la Sub Estación Trapecio. Es importante

verificar la longitud de conducción del caudal evacuado para determinar las

pérdidas totales en la tubería de impulsión. Además se debe verificar el

correcto funcionamiento del equipo, el cual puede tener un rendimiento

diferente al que tenía cuando era nuevo.



4. Algunas observaciones sobre la Instalación de equipo Well Point

El equipo Well Point será instalado alrededor del área a ser excavada. Una vez

que el equipo está instalado cambiar el espaciamiento de las punteras

requeriría desarmar el sistema, por lo que se recomiendo utilizar el mínimo

espaciamiento posible con el material disponible. En las primeras pruebas se

usará el espaciamiento asumido (3 m) abriendo las válvulas de las punteras de

manera que las punteras abiertas se encuentren ésta distancia.

Posteriormente se pueden abrir más punteras para reducir el espaciamiento

inicial.

5. Conclusiones y recomendaciones

5.1. De acuerdo a la información geotécnica recibida, el método de Well

Point es apropiado para abatir la napa freática en el futuro

emplazamiento de la Sub Estación Trapecio (Chimbote Sur).

5.2. Debido a la incertidumbre en algunos datos, se han considerado valores

conservadores de permeabilidad y otros parámetros hidráulicos. En

campo existirán divergencias con respecto a los cálculos, los cuales se

ajustarán de acuerdo a los resultados iniciales.

5.3. Es necesario efectuar ensayos preliminares en campo para ajustar el

caudal de bombeo de acuerdo a los resultados de las operaciones de

abatimiento de la napa freática.

5.4. El equipo disponible es adecuado para realizar el abatimiento de la napa

freática, de acuerdo a los cálculos efectuados en este estudio.

Referencias

Cedergren, Harry R. (1977). Seepage, Drainage and Flow Nets. Segunda Edición. John Wiley and Sons. Nueva York, E.E.U.U.

Mc Whorther, D y Sunada, D.K (1977). Groundwater Hydrology and Hydraulics. Water Resources Publications. Littleton, CO. E.E.U.U.

Smedema, Lambert K, Rucroft, David W. (1983). Land Drainage. Cornell University Press. Gran Bretaña.

Terzaghi, Karl; Peck Ralph B. y Mesri, G (1996) . Soil Mechanics in Engineering Practice. John Wiley and Sons, Inc. Nueva York, E.E.U.U.

US Departments of the Army, the Navy and the Air Force (1983). Dewatering and Groundwater Control. Documento TM-5-818-5. Estados Unidos.


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