TEMA : AGUA EN EL MACIZOCURSO : GEOLOGIA APLICADA A LA INGENIERIA CIVIL DOCENTE: WILSON SANCARRANCO INTEGRANTES: FIORELLA CELI SANDOVAL EDUARDO ANTON CORONADO ANGEL TUME CHAPILLIQUEN PIURA OCTUBRE 2013 1. INTRODUCCION: En macizo además de la matriz rocosa y la fracturación, hay que considerar otro elemento: el agua que llena los huecos (+)Utilizada para abastecimiento, riego, etc. (-) Altera las características mecánicas de los materiales, dificultando los trabajos superficiales o subterráneos. La permeabilidad del terreno es un factor primordial a tener en cuenta independientemente de que exista agua en el macizo, pues se necesitara que el terreno sea un medio receptor o de gran permeabilidad. • AGUA METEÓRICA. Es el agua que está presente en la atmósfera, en forma de vapor de agua, y que es la fuente de la precipitación, la cual forma parte del Ciclo hidrológico. • AGUA CONGÉNITA. Es el agua atrapada en los poros de los sedimentos en el momento de su formación, y que puede llegar a formar parte de las rocas y de los minerales. El agua congénita también representa el agua adsorbida en las partículas arcillosas de los materiales porosos (agua irreductible, punto de marchitez), o incluso el agua salobre que tiene un elevado tiempo de residencia dentro de ciertos materiales geológicos con características particulares. AGUA JUVENIL. Es el agua que se forma como resultado de la condensación del vapor de agua emitido desde el interior de la Tierra a través de las erupciones volcánicas. Idealmente, esta agua no ha formado parte nunca del Ciclo Hidrológico. Constituye una fracción muy pequeña del volumen total de agua de la Tierra. AGUA SUPERFICIAL. Toda el agua que se encuentra por encima de la superficie del terreno y que incluye el agua de los ríos, lagos, océanos, glaciares, etc. El agua superficial se incluye en el Ciclo hidrológico. • AGUA SUBTERRÁNEA. Es el agua que se encuentra bajo la superficie de la Tierra o en la litosfera, que circula dentro de ella y que ocupa los huecos (poros) existentes entre las diferentes partículas que constituyen las rocas. El agua subterránea forma parte del Ciclo hidrológico. El agua subterránea puede encontrarse en dos entornos diferenciados. En primer lugar, el agua puede localizarse en una zona en la que los huecos (poros) de la roca o suelo están ocupados parcialmente por aire o por otro gas, la cual se conoce como zona de aireación, zona no saturada o zona vadosa. La parte inferior de la zona vadosa corresponde a un dominio de espesor variable, dependiendo del material geológico, que es la zona o franja capilar. En la franja capilar los huecos también están saturados de agua, como en la zona saturada, ya que el agua es succionada en dirección opuesta al vector gravedad, como resultado de la actuación de la tensión superficial. El agua esta en el terreno de varias formas: Retenida por fuerzas no capilares. Debido a la atracción eléctrica en la superficie de los granos. Retenida por capilaridad. Ocupa una zona irregular por encima de la zona saturada y rellena los huecos por capilaridad. Agua de gravitación. Agua que ocupan los poros y fisuras del macizo y puede circular El agua existente en el terreno procede de la precipitación. Una parte del agua que cae sobre la superficie corre a través de los barrancos, arroyos y ríos (escorrentía) hasta acumularse en lagos y mares. Otra parte se infiltra en el terreno (infiltración) La cantidad de agua es invariable y puede expresarse como: Donde: P = Precipitación E = Escorrentía EVT = Evotranspiracion I = Infiltración R = Reserva existente en los acuíferos P = E + EVT + I - R El agua infiltrada en el terreno se acumula dentro de el aprovechando los poros de la matriz rocosa (porosidad primaria) o los huecos de las discontinuidades (fracturas, fallas), tanto abiertas como rellenas de material poroso y en caso agrandadas por disolución (porosidad secundaria). Dentro del terreno el agua también puede moverse (escorrentía subterránea) saliendo a la superficie o bajo un manto de agua en ríos, lagos o el mar. La zona saturada por el agua constituye un acuífero cuyo techo, que esta a la presión atmosférica, se conoce como nivel freático. Por encima de este suele existir una franja de terreno saturado por capilaridad cuyo espesor depende de la finura de las partículas que constituyen el terreno. Un macizo esta constituido por varias capas permeables separadas por otras impermeables (de tal forma que cada una de ellas recoja agua). TIPOS DE ACUIFEROS: ACUIFERO LIBRE: Es aquel cuyo techo es el nivel freático. ACUIFERO CONFINADO: El acuífero está limitado por niveles de baja permeabilidad, ya sean estos acuicludos o acuifugos. La presión hidráulica dentro de dichos acuíferos es mayor que la atmosférica en todos sus puntos y si se perfora un pozo a través de la formación confinante superior hasta alcanzar el acuífero, el agua del mismo ascenderá hasta alcanzar un nivel equivalente al del freático en ese punto. Acuíferos Semiconfinados: El acuífero está limitado por acuitardos, lo cual permite una cierta comunicación hidráulica entre dos acuíferos distintos. NIVEL FREATICO PIEZOMETRICO (h): Nivel que alcanzan las aguas en un pozo artesiano marcara la presión del agua en el acuífero confinado Donde: Z = altura del punto respecto al plano de referencia γw = peso especifico del agua h = z + P/ γ w LA PERMEABILIDAD: es la capacidad que tiene un material de permitirle a un flujo que lo atraviese sin alterar su estructura interna. Se afirma que un material es permeable si deja pasar a través de él una cantidad apreciable de fluido en un tiempo dado, e impermeable si la cantidad de fluido es despreciable. La velocidad con la que el fluido atraviesa el material depende de tres factores básicos: la porosidad del material; la densidad del fluido considerado, afectada por su temperatura; la presión a que está sometido el fluido. Para ser permeable, un material debe ser poroso, es decir, debe contener espacios vacíos o poros que le permitan absorber fluido. A su vez, tales espacios deben estar interconectados para que el fluido disponga de caminos para pasar a través del material. Por otro lado, hay que hablar de una "permeabilidad intrínseca" (también llamada "coeficiente de permeabilidad"); como constante ligada a las características propias o internas del terreno. Y de una "permeabilidad real" o de Darcy, como función de la permeabilidad intrínseca más las de las características del fluido UNIDADES: La "permeabilidad intrínseca" en el SMD se mide en cm 2 o m2. La unidad derivada de la Ley de Darcy1 es el Darcy, y habitualmente se utiliza el milidarcy: CONVERSIÓN: La permeabilidad de Darcy se mide, en cambio, en unidades de velocidad: cm/segundo o m/segundo. Determinación de la permeabilidad real o de Darcy: La permeabilidad intrínseca de cualquier material poroso, se determina mediante la fórmula de Darcy: Donde: 1 , permeabilidad intrínseca [L 2 ] C, constante adimensional relacionada con la configuración del fluido. 2 , diámetro promedio de los poros del material [L] 1 = C. 2 La permeabilidad real, en cambio, se puede determinar directamente mediante la Ley de Darcy o estimarla utilizando tablas empíricas derivadas de ella. La permeabilidad real es una parte de la constante proporcional en la Ley de Darcy, que se relaciona con las diferencias de la velocidad del fluido y sus propiedades físicas (por ejemplo, su viscosidad) en un rango de presión aplicado al promedio de porosidad. La constante proporcional específica para el agua atravesando una porosidad media es la conductividad hidráulica. La permeabilidad intrínseca es una función de la porosidad, no del fluido. Permeabilidad del Suelo: En geología la determinación de la permeabilidad del suelo tiene una importante incidencia en los estudios hidráulicos portante del sustrato (por ejemplo previo a la construcción de edificios u obras civiles), para estudios de erosión y para minerología, entre otras aplicaciones. La permeabilidad del suelo suele aumentar por la existencia de fallas, grietas, juntas u otros defectos estructurales. Algunos ejemplos de roca permeable son la caliza y la arenisca, mientras que la arcilla o el basalto son prácticamente impermeables. Incidencia de los Factores Químicos: También los factores químicos tienen una influencia directa en la permeabilidad. La estructura del suelo se ve influenciada por la naturaleza y la cantidad de iones presentes, es decir, de los elementos que participan directa o indirectamente en todas las actividades hidrodinámicas, químicas y biológicas del suelo. En el cuadro siguiente se presenta la cantidad en cm 3 de agua filtrada en una hora en un mismo terreno arcilloso saturado con diferentes cationes, sin modificar el gradiente hidráulico o diferencia de presión: Catión H Ba Ca K Na Li cm 3 51 44 37 18 14 13 Permeabilidad Primaria: • Es la permeabilidad de la matriz rocosa. Permeabilidad Secundaria: • Es la permeabilidad del macizo rocoso Matriz Rocosa + Discontinuidades = Macizo Rocoso Permeabilidad primaria Permeabilidad secundaria En la mayoría de las aplicaciones ingenieriles, la permeabilidad secundaria es la más relevante. En algunos casos, como geología e ingeniería del petróleo, es de interés la permeabilidad primaria. ¿permeabilidad primaria o secundaria? González de Vallejo, 2002 Está fuertemente influenciada por el fracturamiento y las características del macizo rocoso, en especial: • La cantidad (frecuencia) y orientación de fracturas • La abertura y rugosidad de las fracturas • El relleno • El estado de esfuerzos En general, a mayor profundidad, mayores son los esfuerzos normales a las fracturas, estas son más cerradas, y la permeabilidad secundaria es menor y más similar a la primaria. Permeabilidad y Drenaje De la mencionada ley de Darcy se deriva también una fórmula que relaciona el volumen de agua que atraviesa una muestra con su permeabilidad teniendo en cuenta el diferencial de presión; donde: = ∗ ∗ Q: Cantidad de agua drenada a través de la muestra por unidad de tiempo, (cm 3 /h) K: Conductividad hidráulica o coeficiente de permeabilidad. Se expresa generalmente en (cm/h). I: gradiente piezométrico disponible; (m/m) A: Sección transversal por donde se filtra el agua en la muestra (cm 2 ). Cuando se mide la filtración tanto en el campo como en laboratorio, al inicio de la prueba los valores son mayores y progresivamente se estabilizan en los valores finales que son los que interesan para caracterizar un suelo desde este punto de vista. La velocidad final de infiltración se denomina V f . Para la medición de la velocidad final de infiltración, en el campo, sobre el suelo inalterado, se utiliza el infiltrómetro de doble cilindro. Los valores finales de infiltración (V f ) para los diversos suelos se presentan en la tabla siguiente. Textura V f (cm/h) SC, SiC, C 0,25 – 0,75 SCL, CL, SiCL 0,65 – 1,90 SL (finísimo), L, SiL 1,25 – 3,80 SL 2,50 – 7,50 LS 5,00 – 10,0 S > 7,5 Transmisibilidad: Principio de transmisibilidad. Fuerzas equivalentes El principio de transmisibilidad establece que las condiciones de equilibrio o de movimiento de un cuerpo rígido permanecerán inalteradas si una fuerza F que actúa en un punto dado de ese cuerpo se reemplaza por una fuerza F' que tiene la misma magnitud y dirección, pero que actúa en un punto distinto, siempre y cuando las dos fuerzas tengan la misma línea de acción . Cuando se aplica una fuerza en algún punto de un cuerpo rígido, el cuerpo tiende a realizar un movimiento de rotación en torno a algún eje. La propiedad de la fuerza para hacer girar al cuerpo se mide con una magnitud física que llamamos momento de la fuerza. Las dos fuerzas F y F', tienen el mismo efecto sobre el cuerpo rígido y se dice que son equivalentes. Este principio establece que la acción de una fuerza puede ser transmitida a lo largo de su línea de acción, lo cual está basado en la evidencia experimental; no puede ser derivado a partir de las propiedades establecidas hasta ahora en este libro y, por tanto, debe ser aceptado como una ley experimental. 2.2.- Cuerpos rígidos y principio de transmisibilidad . Un cuerpo rígido se define como un cuerpo ideal cuyas partes (partículas que lo forman) tienen posiciones relativas fijas entre sí cuando se somete a fuerzas externas, es decir es no deformable. Principio de Transmisibilidad: Este principio establece condiciones de equilibrio o movimiento de un cuerpo rígido. Una fuerza F puede ser reemplazada por otra fuerza F’ que tenga la misma magnitud y sentido, en un distinto punto siempre y cuando las dos fuerzas tengan la misma línea de acción. Ejemplo Un ejemplo de aplicación del principio de transmisibilidad se tiene cuando un camión descompuesto se desea mover por tres personas. El camión se moverá ya sea que sea jalado hacia la parte delantera o empujado en la parte posterior. LA LEY DE DARCY Y LA PERMEABILIDAD - 1. LA LEY DE DARCY Q L Arena 1 h 3 2 3 4 h 4 entra Q sale Plano de referencia En 1856 Henry Darcy a través de experimentos utilizando el modelo mostrado encontró que el caudal que atravesaba el cilindro de arena era linealmente proporcional a la sección y al gradiente hidráulico: donde: Q = Flujo o caudal de salida (L 3 /T) k = Permeabilidad o Conductividad hidráulica (L/T) A = Área transversal al flujo (L 2 ) L = Distancia entre piezómetros (L) (h 3 -h 4 ) = Pérdida de carga (L) L h h kA Q ) ( 4 3 1. LA LEY DE DARCY 1.1. La experiencia de Darcy La ley de Darcy se expresa también: q = Q/A o caudal que circula por m 2 de sección dh/dl = gradiente hidráulico (i), expresado en incrementos infinitesimales, también puede ser Δh/Δl. El signo negativo significa que la dirección del caudal es hacia los h decrecientes. dl dh k i k q i A k Q . ; . . k se denomina coeficiente de permeabilidad de Darcy, simplemente permeabilidad o mejor conductividad hidráulica, y es una constante propia y característica de cada material. Tiene dimensiones de velocidad y se puede definir como el volumen de agua gravífica que fluye por unidad de tiempo a través de la unidad de superficie de sección de acuífero, bajo un gradiente hidráulico unidad, a la temperatura de 20º C. 1. LA LEY DE DARCY 1.2. Velocidad real y velocidad de Darcy Ya sabemos que el caudal que circula por un conducto = sección x velocidad fluido. Por tanto, si aplicamos esto a la ley de Darcy, obtenemos la denominada Velocidad de Darcy (v D ), velocidad de flujo o caudal (flujo) específico: En materiales con el mismo k, la esta velocidad depende del gradiente. La velocidad de Darcy es una velocidad de flujo falsa o aparente, puesto que el agua no circula por toda la sección del cilindro de arena, sino por una pequeña parte de ella, la que no está ocupada por los granos de arena. Es decir, es la velocidad que llevaría el agua si circulara por toda la sección del medio poroso: Velocidad de Darcy = Caudal / Sección total Esa parte de la sección total por la que circula el agua es la porosidad eficaz, si una arena tienen una porosidad del 10% (0.1), el agua solo circula por el 10% de la sección total. Para que el mismo caudal circule por una sección 10 veces menor, la velocidad del flujo será 10 veces mayor. Se cumple que la Velocidad Real del agua (*) : siendo m e la porosidad eficaz (< 1). i k v A Q q i A k Q D . ; . . e e D R m i k m v v . v D <v R * Temperatura y Tortuosidad agua 1. LA LEY DE DARCY 1.3. Limitaciones de la ley de Darcy La ley es experimental y macroscópica, pero no es suficientemente precisa por varias razones: a) La conductividad hidráulica k no es solo propia y característica del medio poroso, también del fluido: donde K = permeabilidad intríseca (solo depende del medio poroso) m = viscosidad dinámica del fluido (depende de la temperatura del fluido) g = peso específico del fluido (depende de la densidad del fluido) Importante en aguas termales (de 5 a 35 ºC se duplicaría k), y despreciable con aguas de salinidad diferente. b) La relación entre el caudal y el gradiente hidráulico no es lineal, esto sucede cuando las velocidades de flujo son muy altas, o cuando el k es muy bajo. En el primer caso, si el agua circula a altas velocidades, el caudal es directamente proporcional a la sección y al gradiente, pero no linealmente sino exponencialmente: m g K k n dl dh k q 1. LA LEY DE DARCY 1.3. Limitaciones de la ley de Darcy Es decir, la ley de Darcy no se cumple en régimen turbulento. No obstante, en las aguas subterráneas las velocidades son lentas en la mayoría de las ocasiones. En el segundo caso, sucede con arcillas y materiales finos: el agua circularía con gradientes elevadísimos (régimen turbulento); y con gradientes normales y debido a la alta capacidad de retención de estos materiales, el caudal circulante sería 0 (impermeable-acuicludo). c) Solo es válida en medio saturado. d) Heterogeneidad y anisotropía. El coeficiente de permeabilidad fue definido para un medio homogéneo e isótropo, lejos de la realidad natural. La homogeneidad depende de la escala considerada y a efectos prácticos un acuífero se puede considerar como homogéneo. La anisotropía se pone de manifiesto especialmente en materiales interestratificados con distintas permeabilidades. Es preciso distinguir entonces una permeabilidad vertical de una horizontal, cuyos valores se muestran a continuación. EL TRATAMIENTO DE LAS AGUAS DEL MACIZO El evitar que el agua afecte en mayor medida a una estructura o a su construcción puede llevarse a cabo de formas diferentes: eliminando el agua o rebajando el nivel freático mediante un drenaje por gravedad o por bombeo, aislando estructura mediante pantalla, congelando el terreno y tratándolo para hacerlo impermeable. ¡¡¡GRACIAS!!!
Report "Exposicion de Geologia Aplicada a La Ingenieria Civil.2013"