DESARROLLO DE UN MÉTODO PARA RESOLVER EL DRENAJE DE EXCAVACIONES EL AGUA Y LAS ESTRUCTURAS EN EL MEDIO SUBTERRÁNEO TEMA 1. LOS ASPECTOS HIDROGEOLÓGICOS Y GEOMECÁNICOS EN LA INTERACCIÓN ENTRE AGUAS SUBTERRÁNEAS Y OBRA CIVIL DESARROLLO DE UN MÉTODO PARA RESOLVER EL DRENAJE DE EXCAVACIONES CERRADAS ENTRE PANTALLAS Anna Jurado Elices Estanislao Pujades Victor Vilarrasa Enric Vàzquez-Suñé Jesus Carrera

INTRODUCCIÓN Se considera un recinto cerrado, construido entre pantallas y bajo el nivel piezométrico. El método constructivo consiste en: Ejecución de las pantallas. Drenaje interior. Excavación hasta la cota deseada. Construcción de la estación

IMPACTOS: SIFONAMIENTO / LEVANTAMIENTO DE FONDO INTRODUCCIÓN En este tipo de construcción es importante asegurar la estabilidad frente al levantamiento del fondo de la excavación. Para ello, se calcula el factor de seguridad. El factor de seguridad (FS) es el cociente entre el peso del terreno y la presión hidrostática. Peso del suelo - Si FS < 1 condiciones inestables. - Si FS = 1 condiciones de equilibrio. - Si FS > 1 condiciones de estabilidad. Presión del agua Equipotenciales Líneas de flujo Zona intermedia Acuífero superior IMPACTOS: SIFONAMIENTO / LEVANTAMIENTO DE FONDO

MOTIVACIÓN Antes del inicio de la obra es necesario conocer el caudal de drenaje para obtener el factor de seguridad deseado. Realizar éstos cálculos correctamente antes del comienzo de la obra permite trabajar con seguridad y evitar riesgos innecesarios.

OBJETIVO El objetivo es desarrollar una metodología que permita calcular el caudal de drenaje para la construcción de una estación, bajo nivel freático y entre pantallas, de una forma rápida y eficaz asegurando la estabilidad de la excavación.

METODOLOGÍA Planteamiento del problema: Modelo con simetría radial. Acuífero confinado monocapa y anisótropo. Pozo de bombeo totalmente penetrante separado una distancia determinada de la pantalla (rexc). Profundidad de pantalla variable .

METODOLOGÍA Geometría y variables del problema. zinf , z w inf b r exc zp sup E p ¥ Ap Variables del problema: Cota de excavación (zexc), espesor del acuífero (b), radio de excavación (rexc), radio del pozo de bombeo (rw), profundidad de las pantallas, espesor de las pantallas (Ep), permeabilidad horizontal (kh) y vertical (kz) del acuífero, factor de anisotropía (a),la apertura (Ap) permeabilidad de las pantallas (kp), descenso (s) y caudal.

Variable característica Variable adimensional METODOLOGÍA Adimensionalización Se parte de la ecuación de flujo en coordenadas radiales considerando medio anisótropo y en estado estacionario. Se designan las variables características que permitan adimesionalizar el resto de variables. Variable característica Unidades Descenso en el pozo (sc) [L] Radio de excavación (rc) Permeabilidad horizontal (kc) [LT-1] Caudal pozo bombeo (Qc) [L3T-1] Variable adimensional Ecuación de flujo adimensionalizada

METODOLOGÍA Modelación numérica Realización de simulaciones numéricas, en estado estacionario, con el programa de elementos finitos TRANSIN IV (MEDINA et al., 2004). Condiciones de contorno zinf, zw inf r

incrementos de b/20 del acuífero METODOLOGÍA Modelación numérica Variable Valores Ap incrementos de b/20 del acuífero a 5,20,50 b 0.5,1,2 kz 0.2,0.05,0.02 rw 0.01,0.025,0.05 Ep, Kp, Kh, rexc r∞ constantes En total se han relizado 567 simulaciones y para cada una de ellas se ha obtenido un QD. La finalidad de estas simulaciones es encontrar una solución empírica que relacione el caudal obtenido con el descenso en cualquier punto del acuífero.

METODOLOGÍA Formula empírica Con el algoritmo de FURNIVAL & WILSON (1974) se obtiene una la recta de regresión para las variables del problema. Fórmula empírica hallada: Eje Y Eje X Eje X= (obtenido con el algoritmo) Eje Y= (calculado con el modelo numérico)

Parámetros hidráulicos CASO SINTÉTICO Para comprobar la validez de la ecuación empírica, se plantea un ejemplo en el cual se va a calcular: - El caudal de drenaje. - El factor de seguridad en la cota de pie de pantalla. h0= 40 m b=40 m r exc =20 m rw = 0.2 m Ep=1.2 m zp inf= 12 m 40 Ap= 12m z exc =28 m Parámetros hidráulicos Kh 10 m/día Kp 0.0001 m/día a 5 Kv Kh/a

Caudal adimensional QD (u.a) CASO SINTÉTICO Cálculo del caudal de drenaje Zex=1.4 1) Modelo numérico: simulación en estado estacionario (descenso adimensional). 2) A partir de la ecuación empírica Caudal adimensional QD (u.a) Modelo numérico Fórmula empírica 0.9215 0.9072 Caudal real Q (m3/día) Modelo numérico Fórmula empírica 2580 2540

Nomenclatura variables CASO SINTÉTICO Cálculo del factor de seguridad en la cota de pie de pantalla: Con el modelo numérico se calcula el sD (0.439 u.a) en la cota de pie de pantallas y se convierte a hD (0.846u.a). Nomenclatura variables Factor de seguridad FS Densidad agua dw Densidad del terreno dt Cota excavación Zex Peso del terreno PT Presión hidrostática Pw Nivel piezométrico h Cota Z Ecuaciones PT = (Zex-Z)*dt Pw = (h-Z)*dw Calculo del FS Modelo adimensional Caso sintético (con unidades) 1.39 1.40 Cálculo de FS FS=PT/ Pw

CONCLUSIONES Error en cálculo Porcentaje (%) e< 0.01 9.5 La ecuación empírica permite calcular el caudal de drenaje de una manera precisa en más de un 75 % de los datos. Error en cálculo Porcentaje (%) e< 0.01 9.5 0.01≤ e ≤ 0.05 67.8 0.05 < e≤ 0.15 13 e > 0.15 9.7 Se continuará trabajando para intentar disminuir el error en los casos que este es superior a 0.05 (supone un error mayor de 1.6 l/s en el caudal de drenaje).

CONCLUSIONES En estos datos es ajuste es bueno pero se quiere ajustarlos perfectamente a la tendencia de la recta Eje X= Eje Y= Se continuará trabajando para mejorar esta ecuación realizando: Simulaciones variando la Kp para observar la validez de la ecuación Se calculará el caudal que pasa por la pantalla .

Gracias por su atención. AGRADECIMIENTOS Gracias por su atención.