conductividad hidraulica

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Fernández Félix Erick, Julca Vega Jairo, Rojas Henostroza Kevin Ing. de Drenaje Multiservicios “Copysistem” UNIVERSIDAD NACIONAL “Santiago Antúnez de Mayolo” FACULTAD CIENCIAS AGRARIAS “Escuela de Ingeniería Agrícola” I. INTRODUCCIÓN En el diseño y funcionamiento de un sistema de drenes depende en gran medida de la conductividad hidráulica o conductividad saturada del suelo (K). Todas las ecuaciones para determinar espaciamiento entre drenes consideran este parámetro. Consecuentemente, para diseñar o evaluar un sistema de drenaje es necesario determinar el valor de la conductividad tan preciso como sea posible. Se empleara el método “AUGER-HOLE” que es un método rápido y sencillo para medir la conductividad hidráulica del suelo que se encuentra por debajo del nivel de una capa freática, y por lo tanto, tiene todo sus huecos ocupados por agua. En nuestra práctica realizamos y determinamos la conductividad hidráulica en presencia de manto freático. El Grupo

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“Copysistem ”

UNIVERSIDAD NACIONAL

“Santiago Antúnez de Mayolo” FACULTAD CIENCIAS AGRARIAS

“Escuela de Ingeniería Agrícola”

I. INTRODUCCIÓN

En el diseño y funcionamiento de un sistema de drenes depende en gran

medida de la conductividad hidráulica o conductividad saturada del suelo

(K). Todas las ecuaciones para determinar espaciamiento entre drenes

consideran este parámetro. Consecuentemente, para diseñar o evaluar un

sistema de drenaje es necesario determinar el valor de la conductividad

tan preciso como sea posible.

Se empleara el método “AUGER-HOLE” que es un método rápido y sencillo

para medir la conductividad hidráulica del suelo que se encuentra por

debajo del nivel de una capa freática, y por lo tanto, tiene todo sus huecos

ocupados por agua.

En nuestra práctica realizamos y determinamos la conductividad

hidráulica en presencia de manto freático.

El Grupo

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II. OBJETIVOS

Entender el comportamiento de los suelos saturados

Calcular el valor de la conductividad hidráulica mediante la técnica

del AUGER-HOLE.

III. MARCO TEÓRICO

3.1. La conductividad hidráulica varía espacialmente debido a:

La interacción del fluido con el medio poroso (por las características

mineralógicas de las partículas y el agua que percola a través del

suelo).

El bloqueo de los poros (debido al aire atrapado y a la destrucción de

los agregados).

Los microorganismos (su multiplicación y la consiguiente

descomposición de la materia orgánica puede obstruir los poros).

Las grietas y cavidades (resultante de la actividad de las lombrices y

descomposición de las raíces) y e) la heterogeneidad del medio poroso

(variaciones en las características físicas de distintos estratos

conduce a diferencias entre la conductividad hidráulica horizontal y

vertical).

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3.2. Determinación de la conductividad hidráulica.

Existe una serie de técnicas destinadas a la obtención de un valor

puntual de la conductividad hidráulica. Estos métodos se pueden

clasificar de la siguiente forma:

a) Métodos de laboratorio.

a.1. Permeámetro de altura constante

a.2. Permeámetro de altura variable

b) Métodos de terreno.

b.1. Con nivel freático presente

- Método del pozo- Método del piezómetro

- Método del doble pozo

- Método de la prueba de bombeo

- Método de drenes paralelos

b.2. Sin nivel freático presente

- Método del pozo invertido

- Método del cilindro de infiltración

- Método del doble tubo.

c) Métodos de correlaciones.

c.1. A partir de la curva de retención de humedad del suelo

c.2. A partir de la curva de distribución del tamaño de partículas

c.3. A partir de la clase textural

Tanto los métodos de laboratorio como los de terreno, se basan en

imponer ciertas condiciones al flujo de agua, en una muestra de suelo o

en el suelo mismo, para la aplicación de una fórmula basada en la ley

de Darcy sujeta a ciertas condiciones de borde.

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3.2. Ley de Darcy

Henry Darcy, ingeniero hidráulico francés, observó, en 1856, que el

caudal de flujo laminar de un fluido (de densidad y temperatura

constantes) entre dos puntos en un medio poroso es proporcional al

gradiente hidráulico (dh/dl) entre los dos puntos (Custodio, 1996). La

situación se describe en la Figura 1.10. La ecuación que describe la

tasa de flujo a través de un medio poroso es conocida como ley de

Darcy y esta dada por la ecuación:

Dónde:

q= Q/Sección (es decir: caudal que circula por m2 de sección)

K= Conductividad Hidráulica.

= Gradiente hidráulico expresado en incrementos infinitesimales.

(El signo menos se debe a que el caudal es una magnitud vectorial,

cuya dirección es hacia los ∆ h o dh es negativo y, por lo tanto el

caudal será positivo)

3.3. Conductividad hidráulica (K)

También llamada permeabilidad hidráulica. Corresponde a la

constante de proporcionalidad en la ecuación que describe la Ley

de Darcy y representa la mayor o menor facilidad con que el medio

deja pasar el agua a través de él por unidad de área transversal a la

dirección del flujo. Tiene dimensiones de velocidad [L T-1].

La permeabilidad intrínseca de un medio k es una función de la

forma o diámetro y distribución de tamaño de los poros.

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3.4. Transmisividad (T)

También llamada transmisibilidad. Es una medida de la

cantidad de fluido que puede ser transmitida horizontalmente a

través de una sección de acuífero de ancho unitario, que involucre

todo el espesor saturado, bajo un gradiente hidráulico igual a

la unidad. Se obtiene haciendo el producto entre el espesor

saturado del acuífero, b, y su conductividad hidráulica, K, tal como

indica la ecuación. Tiene las dimensiones [L2T-1].

3.5. Coeficiente de almacenamiento (S)

Se define como el volumen de agua que puede ser liberado por un

prisma vertical de acuífero, de sección unitaria y de altura igual a su

espesor saturado, cuando se produce un descenso unitario de la

carga hidráulica (del nivel piezométrico o del nivel freático). S es un

coeficiente adimensional.

Al nivel de la superficie freática, en el caso de un acuífero

libre, el agua es liberada del almacenamiento por drenaje

gravitacional. Bajo la superficie freática, o dentro del acuífero mismo

en el caso de un acuífero confinado, el agua es expelida debido a la

compresión del esqueleto sólido del suelo y a la expansión del

agua en los poros, ambas producidas por el descenso de la

carga hidráulica sobre el acuífero.

Debido a lo anterior, el coeficiente de almacenamiento S tiene

distintas expresiones dependiendo del tipo de acuífero descrito.

3.5.1.Almacenamiento específico (Ss)

Se define como el volumen de agua añadido o extraído por

unidad de volumen del acuífero y por unidad de variación de la

carga hidráulica, producto de los efectos elásticos del esqueleto del

suelo y de la propia elasticidad del agua.

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3.5.2.Coeficiente de almacenamiento en un acuífero confinado

Dentro de un acuífero confinado, el espesor completo del acuífero

permanece saturado mientras se está liberando o almacenando

agua.

Por lo tanto, toda el agua es liberada debido a la compactación

del esqueleto del suelo y a la expansión del agua en los poros.

Los valores de S en acuíferos confinados son generalmente menores

que 0.005. Valores entre 0.005 y 0.10 generalmente indican un

acuífero semiconfinado

3.5.3.Coeficiente de almacenamiento en un acuífero no

confinado

Dentro de un acuífero no confinado, el nivel de saturación varía a

medida que el agua es añadida o removida del acuífero. Cuando el

nivel freático desciende, el agua es liberada tanto por el drenaje

gravitacional como por la compactación del esqueleto y la expansión

del agua en los poros.

IV. MATERIALES Y EQUIPOS

Barrena Holandesa

Wincha metálica

Equipo para la medición con Flotador

Cuaderno de apuntes.

Programa Excel y Word

Equipo sacar el agua.

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V. METODOLOGÍA PARA DETERMINAR LA CONDUCTIVIDAD

HIDRÁULICA (K)

5.1. MÉTODO DE AUGER HOLE:

El método del agujero de barreno (AUGER HOLE), se basa en la

recuperación del nivel freático producido en una perforación

registrando la evolución de los descensos (y) en el tiempo (t). Utiliza la

fórmula de Ernst generalizada según la siguiente expresión:

Dónde:

y : descensos medidos a partir del nivel estático (mts.);

H : desnivel entre el fondo de la perforación y el nivel estático (mts.);

r : radio de la perforación (mts.)

Aplicable a profundidades entre 2.50 a 3.00 mts. Como máximo.

Duración del ensayo: cubierto el tercio inferior del espesor total del

manto, puede terminarse el proceso de medición.

5.2. FASES PARA DETERMINAR LA CONDUCTIVIDAD

HIDRÁULICA

SE REALIZA EN TRES FASES CONSECUTIVAS:

1.- Perforación del sondeo

2.- Extracción del agua de inundación

3.- Medición de la velocidad de elevación del agua

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5.2.1. Perforación del sondeo

Es muy importante realizar esta operación alterando el suelo lo

menos posible, para este fin se utilizan barrenas especiales de doble

“hoja abierta” o barrenas de tipo holandés

Fig. 01 Hojas abiertas de la barrena tipo Holandés

La profundidad del agujero depende de la naturaleza y espesor de los

horizontes, así como de la profundidad a la cual queramos

determinar la conductividad hidráulica.

5.2.2. Extracción del agua del sondeo

Esta fase debe comenzar únicamente si la capa freática en el

interior del agujero ha alcanzado el equilibrio. Normalmente es

necesario que transcurran entre 10 y 30 minutos de tiempo si el

suelo es moderadamente permeable (K= 1 m/día) y algunas horas

cuando es poco permeable (K= 0,1 m/día).

5.2.3. Medida de la velocidad de inundación

La medida consiste en controlar la velocidad a la cual el agua

asciende de nuevo en el agujero. Las observaciones pueden ser

realizadas empleando intervalos de tiempo constantes (Δt) o

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mediante intervalos de ascensión del agua prefijados de antemano

(ΔYt).

En cuanto al número de medidas a realizar, en orden a aumentar la

exactitud de los resultados y reducir errores, es conveniente realizar

unas cuatro lecturas mientras el nivel de agua asciende.

VI. PROCEDIMIENTO PARA DETERMINAR LA CONDUCTIVIDAD

HIDRÁULICA (K)

6.1. Se realiza el sondeo o perforación con la barrena. Se anota su

profundidad (D) y diámetro (2r)

6.2. Se dejan transcurrir unas 24 h para dejando el agua de la capa

freática inunde el sondeo por completo Se anota la profundidad

de la capa freática (W´)

6.3. Se extrae el agua del sondeo mediante una botella adecuada

para la extracción se realiza 4 a 5 extracciones.

6.4. Se registran medidas de la velocidad de ascenso del agua en el

sondeo, anotando mm de elevación (Y´n) y la hora de lectura de

cada medida (tn).

Fig 02. Esquema de procedimiento para determinar conductividad

hidráulica

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VII. CÁLCULOS Y RESULTADOS:

Datos: LECTURA

TIEMPO

(seg) PRIMERA SEGUNDA TERCERA CUARTA

0 157.0 157.0 157.0 157.0

5 156.2 156.4 156.3 156.1

10 155.5 155.6 155.8 155.5

15 155.0 155.0 155.2 155.0

20 154.4 154.2 154.8 154.3

25 154.0 153.8 154.3 153.8

30 153.5 153.2 153.9 153.5

40 153.0 152.8 153.1 152.9

50 152.0 151.7 152.4 152.1

60 151.2 151.0 151.5 151.2

70 150.0 150.0 150.8 150.5

80 149.2 149.2 150.2 149.8

90 148.1 148.6 149.3 149.0

100 147.2 147.8 148.5 148.2

110 146.4 147.0 148.0 147.3

120 145.8 146.0 147.1 146.7

130 144.9 145.0 146.2 145.9

140 144.4 144.4 145.3 145.0

150 143.6 143.8 144.4 144.2

160 142.7 143.0 143.0 143.2

170 142.2 142.3 142.3 142.0

180 141.6 141.8 141.9 141.5

190 140.9 141.2 141.0 141.0

200 140.2 140.4 140.0 140.3

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CALCULO DE LA CONDUCTIVIDAD HIDRAULICA

METODO DE AUGER HOLE :

Dónde:

K= Conductividad Hidráulica ( m/día)

r = Radio del pozo de observación (cm)

H = Altura del nivel freático (cm)

Y = Altura de nivel freático media entre el nivel de medición inicial

y final (cm)

dy = Diferencia del nivel freático entre el nivel de medición inicial y

final (cm)

dt = Tiempo observado entre la medición inicial y final (seg)

LECTURAS

TIEMPOS

(seg) VARIABLES PRIMERA SEGUNDA TERCERA CUARTA

0 - 40 dy (cm) 40.0 42.0 39.0 41.0

Y (cm) 160.0 159.0 160.5 159.5

40 - 80 dy (cm) 38.0 36.0 29.0 31.0

Y (cm) 161.0 162.0 165.5 164.5

80 - 120 dy (cm) 34.0 32.0 31.0 31.0

Y (cm) 163.0 164.0 164.5 164.5

120 - 160 dy (cm) 31.0 30.0 41.0 35.0

Y (cm) 164.5 165.0 159.5 162.5

160 - 200 dy (cm) 25.0 26.0 30.0 29.0

Y (cm) 167.5 167.0 165.0 165.5

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REMPLAZANDO LOS VALORES SE TIENE:

CALCULOS:

Resultados (los primeros 40 seg)

Datos: I II III IV

r (cm) 4 4 4 4

H (cm) 180 180 180 180

Y (cm) 160.0 159.0 160.5 159.5

dy (cm) 40.0 42.0 39.0 41.0

dt (seg) 40.00 40.00 40.00 40.00

K (m/d) 1.38 1.46 1.35 1.42

K1prom

(m/d) 1.40

Resultados (los segundo 40 seg)

Datos: I II III IV

r (cm) 4 4 4 4

H (cm) 180 180 180 180

Y (cm) 161.0 162.0 165.5 164.5

dy (cm) 38.0 36.0 29.0 31.0

dt (seg) 40.00 40.00 40.00 40.00

K (m/d) 1.31 1.24 1.00 1.07

K2prom

(m/d) 1.16

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Resultados (los tercer 40 seg)

Datos: I II III IV

r (cm) 4 4 4 4

H (cm) 180 180 180 180

Y (cm) 163.0 164.0 164.5 164.5

dy (cm) 34.0 32.0 31.0 31.0

dt (seg) 40.00 40.00 40.00 40.00

K (m/d) 1.17 1.10 1.07 1.07

K3prom

(m/d) 1.10

Luego tenemos:

K (promedio) 1.22 m/día

VIII. DISCUSIÓN DE RESULTADO.

El valor estimado de la conductividad hidráulica es de un material

Franco arcilloso bien graduado, los primeros 40 segundos presentan

una conductividad hidráulica (K) de 1.40 m/día, que representa un

valor superior a los demás se ve como va descendiendo a medida que

pasa el tiempo.

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IX. CONCLUSIONES.

La Conductividad Hidráulica obtenida en campo resulta :

Por el método de AUGER HOLE:

K1 = 1.40 m/día, K2 = 1.16 m/día, K3 = 1.10 m/día, que

representan cada 40 segundos de lectura, teniendo un promedio de

conductividad hidráulica de K=1.22 m/día que representa un suelo

Franco, Franco arcilloso bien estructurado, Franco arenoso muy

fino.

La Conductividad Hidráulica define la capacidad del medio poroso

para transmitir el agua a través de si mismo.

X. BIBLIOGRAFÍA.

MAXIMO VILLON BÉJAR, 2005, DRENAJE Segunda edición, Editorial

Villón Lima, Perú.

AGUA SUBTERRANEA, Nicolás Echevarría Morales, Guillermo Aguilar

Giraldo, PUBLIDRAT, 2004.

http://www.olivos.cl/blog/conductividad-hidraulica/

http://ing.unne.edu.ar/pub/aguasubterranea.pdf

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XI. ANEXOS

11.1. Esquema general del método AUGER HOLE.

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11.2. Fotos de trabajo de Campo

Fig 01 perforación desarrollado (r = 4cm) con Barrena Holandesa

Fig. 02 Equipo para la medición con Flotador integrado con Wincha

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Fig. 03 Equipo implementado para sacar agua del orificio

Fig 04 Equipo implementado sacando agua del orificio

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Fig 05 Equipo implementado instalado para leer diferencia de nivel

freático

Fig 06 lectura de diferencia de nivel freático