Galeras de InfiltracinIntroduccin Una galera de infiltracin es una forma de captar el agua subterrnea que se encuentra muy prxima a la superficie - subsuperficial - y cuyos afloramientos se presentan dispersos en reas considerables. El uso de estas obras de captacin de agua, se limita a casos en que el agua subterrnea se encuentre a una profundidad de 5 a 8 metros por debajo del suelo. Son recomendadas cuando se va a captar el agua subterrnea de acuferos de poca profundidad con un pequeo espesor saturado y adems en zonas costeras en donde el agua dulce se encuentra por encima del agua salada. 1.- Principio de funcionamiento Una galera de infiltracin consiste en un tubo perforado o ranurado , rodeando de una capa de grava o piedra triturada graduada instalada en el acufero superficial, o en el caso de captacin indirecta de aguas superficiales, en el estrato permeable que se comunica con dichas aguas. En los extremos aguas arriba de la galera y a una longitud aproximada de 50 m, normalmente se coloca un pozo de visita. En el extremo aguas abajo se construye un tanque o pozo recolector, de donde se conducen las aguas por gravedad o por bombeo hacia el sistema de distribucin (Fig.1). El tubo de recoleccin usualmente es de concreto o de fibrocemento. Su dimetro es funcin del gasto, siendo el ms recomendable del orden de 200 250 mm.

Figura 1.- Detalle de una Galera de infiltracin

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Galeras de Infiltracin2.- Criterios para la ubicacin de las galeras de infiltracin. La galera de infiltracin se orienta con la direccin predominante del flujo subterrneo. Cuando la velocidad de un rio es pequea y existen extractos de alta permeabilidad que se conectan, la galera normalmente se instala paralela al eje del mismo. En este caso, la direccin del flujo subterrneo principalmente es desde el ro hacia la galera, aunque desde el lado opuesto de la misma tambin penetrar el agua, ya que el ro y la instalacin de la galera ser anloga (Fig. 2 y 3).

Figura 2.- Galera de infiltracin con flujo del ro hacia la galera

Figura 3.- Galera de infiltracin con flujo del acufero al ro y la galera.

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Galeras de InfiltracinEn caso de cursos rpidos y extractos de baja permeabilidad, ser necesario investigar la direccin del flujo subterrneo, a fin de interceptar el paso del mismo con la galera de infiltracin. Normalmente, unos ramales perpendiculares al eje del ro dan los resultados deseados (Fig. 4).Cuando no existen extractos permeables con la excepcin de unos bancos de arena o grava depositados por el ro en un lecho limitado la galera se instala por debajo del ro, normal a su eje. La misma solucin se emplea cuando el acufero es de muy baja permeabilidad. (Fig.5).

Figura 4.- Galera de infiltracin en extractos poco permeables

Figura 5.- Galera de infiltracin bajo el lecho de un ri

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Galeras de Infiltracin3.- Ventajas de las galeras construidas en materiales no consolidados El material no consolidado en donde comnmente se construyen las galeras tiene una composicin litolgica muy variable, conformada por capas de arena, grava, guijarros y arcilla, siendo las principales ventajas de su construccin las siguientes: a) Fciles de excavar o perforar. b) Posicin favorable para recibir la recarga de los ros y lagos al estar ubicados normalmente en el fondo de los valles que frecuentemente corresponden a zonas planas con niveles piezomtricos muy prximos a la superficie. c) Suelos con alta porosidad efectiva, permiten disponer de mayor cantidad de agua subterrnea. d) Permeabilidad ms elevada con respecto a otras formaciones, lo que facilita el desplazamiento del agua. e) Disponibilidad de agua en perodos de escasas lluvias, cuando el caudal de los ros es mnimo o nulo, al permitir que las aguas subterrneas circulen por el material aluvial que conforma el valle del ro, mientras que en perodo lluvioso, el caudal superficial del ro recarga el acufero incrementando la disponibilidad de los recursos hdricos.

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Galeras de Infiltracin4.- Criterios de Diseo - Clculo hidrulico. Considerando que el proyectista de pequeas obras de abastecimiento tiene que disear una galera de filtracin en base a su experiencia y, por lo general, sin un detallado estudio hidrogeolgico, resulta una buena prctica calcular por medio de diferentes mtodos, variando los parmetros dentro de un rango razonable de magnitud, para luego seleccionar los resultados ms probables. Aunque el procedimiento no parece muy confiable, en muchos casos proporciona buenos resultados para el diseo. El procedimiento de emplear diferentes modelos en el diseo de la galera filtrante, permite al proyectista identificar los parmetros o factores de mayor influencia. Al efecto, en las formulaciones es necesario tener en cuenta las caractersticas del acufero y las caractersticas del dren.

Las caractersticas del acufero se identifican por los siguientes parmetros con sus respectivos smbolos y dimensiones: Conductividad hidrulica o permeabilidad: kf [m/s] Profundidad del acufero: H [m] Transmisividad [kf*H] T [m2/s] Espesor dinmico del acufero en el punto de observacin: Hb [m] Espesor dinmico del acufero en la galera: Hd [m] Pendiente dinmica del acufero: i [m/m] Porosidad efectiva: S [adimensional] Radio de influencia del abatimiento: R [m] Distancia entre la galera y el pozo de observacin: L [m] Distancia entre la galera y el punto de recarga: D [m] En lo que respecta a la galera de filtracin, sus principales caractersticas fsicas con sus respectivos smbolos y dimensiones son: Radio del dren: r [m] Tiempo de extraccin del agua de la galera: t [s] Abatimiento de la napa de agua a la altura de la galera s [m] Mnimo tirante de agua encima del lecho del curso o cuerpo de agua superficial: a [m] Profundidad del estrato impermeable con respecto a la ubicacin del dren: b [m] Profundidad de ubicacin del dren con respecto al fondo del curso o cuerpo de agua superficial: z [m] Carga de la columna de agua sobre el dren pd [m] Adicionalmente, se tiene el caudal de explotacin de la galera de filtracin y que puede ser: Caudal unitario por longitud de dren: q [m3/s-m] Caudal unitario por rea superficial: q [m3/s-m2] Por su ubicacin, las galeras de infiltracin son captaciones donde puede admitirse que el mtodo de equilibrio para fuentes subterrneas es aplicable. A fin de determinar las caractersticas de diseo de las galeras es necesario hacer excavaciones o perforaciones de prueba en cada caso especfico, las cuales permitirn conocer:

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Galeras de Infiltracin Permeabilidad media del acufero para estimar la produccin por metro lineal de galera. Granulometra del terreno para determinar las caractersticas de la grava de envoltura. Gastos Pequeos: 3 a 5 lpps. En el caso de gastos pequeos del orden e 3 a 5 lps, normalmente basta con una excavacin de prueba hasta una profundidad conveniente por debajo del nivel esttico del agua. Se extrae luego el agua con bomba, a una tasa fija y se observa el descenso de nivel. La estabilizacin de dicho nivel para una tasa fija de bombeo prolongado, significar que el recargamiento natural del acufero desde el ro (en el caso de captaciones indirecta de fuente superficial), iguala el gasto extrado. A base de este gasto y estimando el rea total de penetracin del agua en la excavacin de prueba, puede formarse una idea acerca de la longitud necesaria de galera para el gasto deseado. Gastos Mayores Cuando se trata de gastos mayores, adems de la excavacin de prueba, ser necesario perforar o excavar uno o varios pozos de observacin, a fin de determinar el descenso del nivel de agua a cierta distancia del punto donde se efecta el bombeo de prueba. En este caso, el procedimiento para determinar la longitud necesaria de la galera para el gasto de diseo es: Bombear a una tasa constante hasta que el nivel de agua se establece en la excavacin de prueba. Medir el nivel, tanto en la excavacin de prueba como en el pozo de observacin y calcular los valores de h1 y h2 . Igualmente medir las distancias r1 y r2. Si se trata de un acufero no confinado hacer uso de la frmula: Q = (/2.31) * (p) * [(h1 h2)/(log(r2/r1))] Si el acufero es confinado hacer uso de la frmula: Q = (/2.31) * (p) *(b) * [(h1 h2)/(log(r2/r1))] Donde b es el espesor del acufero confinado. A partir de estas expresiones, calcular la permeabilidad media del acufero. Aplicar la ley de Darcy. Q = PIA En este caso Q es el caudal que puede brindar el acufero y P es la permeabilidad media. El rea de penetracin queda definida por la grava de envoltura del tubo de recoleccin y la longitud total del mismo. Para los efectos de captacin indirecta de aguas superficiales, normalmente se toma el rea de la cara hacia el ro, dejando el flujo desde el lado opuesto como margen de seguridad. El gradiente hidrulico disponible es desde el nivel

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Galeras de Infiltracindel agua del ro hasta la grava de envoltura y se determina dividiendo la profundidad de la grava de envoltura con respecto al nivel esttico del agua subterrnea entre la distancia desde la orilla del ro hasta la galera. Clculo de la longitud de la galera, se calcula a partir de la expresin: L = Qdisseo / Qacufero Donde Qacufero es el caudal disponible en la fuente (rendimiento del acufero) por unidad de longitud. Clculo del rea perforada en el tubo recolector, para conocer el nmero de perforaciones que se requieren en el tubo recolector se utiliza la expresin siguiente: A = Qdisseo / (Ventrada * Cc) Ventrada es por criterios de diseo entre 0.05 y 0.1 mps, el Cc es un coeficiente por contraccin para entradas por orificios y tiene un valor de 0.55. Finalmente el nmero de orificios se calcula dividiendo el rea del tubo recolector entre el dimetro de los orificios de entrada. 5.- Diseo de los elementos de un galera de infiltracin Considerando que el proyectista de pequeas obras de abastecimiento de agua tiene que disear la galera de filtracin de acuerdo con su experiencia y, por lo general, sin un detallado estudio hidrogeolgico, resulta prctico efectuar clculos por medio de diferentes mtodos y variar los parmetros dentro de un rango razonable de magnitud, para luego seleccionar los resultados mas probables. Aunque el procedimiento no parece confiable, en muchos casos proporciona buenos resultados en el diseo de pequeos sistemas de abastecimiento de agua. Emplear diferentes modelos en el diseo de la galera filtrante, permite al proyectista identificar los parmetros o factores de mayor influencia y por lo tanto, ayuda a definir las pruebas de campo que se deben realizar. De esta manera, una vez determinada la longitud mnima de la galera se procede al diseo de los elementos que la componen. 5.1 Colector En el diseo del colector se deben considerar los siguientes aspectos: a) Seccin con capacidad suficiente para el caudal de diseo. b) Mnimas prdidas por friccin. c) rea de las aberturas del dren que faciliten el flujo hacia el conducto.

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Galeras de Infiltracin5.1.1. Dimetro El dimetro mnimo es el que garantice el escurrimiento del caudal de diseo con un tirante no mayor al 50%,y no ser menor de 200 mm. para facilitar la limpieza y mantenimiento de los drenes. En las galeras largas, es posible usar distintos dimetros y hay que tener en cuenta que los tramos iniciales no necesitan una alta capacidad de conduccin, (ver figura 6).

Figura 6.- Galera de infiltracin con distintos dimetros 5.1.2 Tipo de material Por lo general, se usan tuberas comerciales, como las de cloruro de polivinilo (PVC), asbesto cemento, hierro fundido y hormign simple o armado. Si se evalan los materiales, se encuentra que la tubera plstica de PVC presenta grandes ventajas: es barata, liviana, induce pocas prdidas por friccin, es fcil de transportar, instalar y perforar, no se corroe y tiene una larga vida til. Los conductos de asbesto cemento tienen la desventaja de ser frgiles y pesados, y son difciles de perforar. El hierro fundido tiene alta resistencia a las cargas, gran durabilidad y permite un alto porcentaje de rea abierta. Sin embargo su costo es alto y es propenso a las incrustaciones, las que disminuyen su capacidad hidrulica. Las tuberas de hormign son pesadas y frgiles, lo que complica su manejo, perforacin e instalacin. No obstante, pueden instalarse en pequeos tramos con las juntas abiertas.

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Galeras de Infiltracin5.1.3 Velocidad Para evitar la acumulacin del material fino que pueda entrar al conducto, la tubera del dren debe tener una pendiente adecuada que facilite su auto limpieza. Normalmente, la velocidad de escurrimiento del agua en el dren debe ser mayor a 0,60 m/s. De esta manera, el material fino podr ser arrastrado hasta la cmara colectora donde se depositar para su eliminacin. La velocidad de autolimpieza se logra con pendientes que varan de 0,001 m/m a 0,005 m/m. 5.1.4 rea abierta No se recomienda pendientes altas para evitar una profundidad excesiva en casos de galeras de gran longitud. En el diseo del rea perimetral abierta de los conductos, se debe tomar en consideracin dos aspectos: a) Prdida de la resistencia estructural de la tubera; b) Velocidad de ingreso El valor de la mxima velocidad de entrada permisible para evitar el arrastre de partculas finas, varan desde 2,5 cm/s hasta 10 cm/s con un valor recomendado de 3 cm/s y para un coeficiente de contraccin de entrada por orificio de 0,55. En todo caso, es recomendable disponer de la mayor cantidad de rea abierta para tener bajas velocidades de entrada. El rea abierta por unidad de longitud del conducto estar dada por la siguiente expresin: Qu A = Ve x Cc Donde: A = rea abierta por unidad de longitud del conducto (m) Qu = Caudal de diseo por unidad de longitud (m/s) Ve = Velocidad de entrada (m/s), Cc = Coeficiente de contraccin 5.1.5 Forma, tamao y distribucin de las aberturas El tipo de abertura que se practica en las tuberas son las perforaciones y las ranuras, las que pueden ser realizadas con taladros o discos. Las dimensiones de las perforaciones dependen de las caractersticas del conducto. Segn la publicacin The Desing of Small Dams, del Bureau of Reclamation, la relacin que debe existir entre la mayor dimensin de la abertura y el tamao de los granos del filtro est dada por la siguiente expresin:

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A su vez, la relacin de dimetros entre el forro filtrante y el material granular del acufero debe ser igual o menor a cinco. La distribucin de las aberturas se hace de forma tal que no reduzca sustancialmente la resistencia a las cargas externas del conducto original. Se recomienda que tanto las perforaciones como las ranuras se distribuyan uniformemente en el rea perimetral, tal como se muestran en la figura 7. El mximo porcentaje de rea perimetral abierta depende del tipo de material del conducto, de modo que a mayor resistencia del material, mayor rea abierta permisible. En pruebas realizadas en laboratorio con tuberas de PVC de 200 mm de dimetro, la resistencia a la carga externa aplicada con platos paralelos, disminuy 20% con un rea abierta del 3,2%. Normalmente, un rea abierta de alrededor del 3,0% permite velocidades de entrada por debajo de los valores mximos recomendados. Como los conductos solamente soportan cargas de relleno, es poco probable que colapsen debido a la prdida de resistencia causada por las perforaciones. 5.2 Forro filtrante Su funcin principal es impedir que el material fino del acufero llegue al interior del conducto sin que sea afectada la velocidad de filtracin, el forro filtrante debe ser ser mucho ms permeable que el acufero. El forro filtrante se asemeja a la capa de soporte de los filtros de arena, y se deben seguir las recomendaciones que se sintetizan en la Tabla 1.-

Capa Dimetro, mm Mnimo 1 0.5-2.0 2 2.0-2.5 3 5.20-20

Altura, cm Mximo 1.5-4.0 5 4.0-15.0 5 10.0-40.0 10

Tabla1. Granulometra del forro filtrante. ________________________________________________________________* D85 es el tamao de la abertura del tamiz por donde pasa el 85 % en peso del material filtrante.

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Figura 7.- Modelos de drenes

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Galeras de InfiltracinComo se observa en el cuadro anterior, el espesor de cada una de las capas de filtro debe estar comprendida entre los 5 y 10 cm para lograr una filtracin eficiente. Sin embargo, para evitar que durante la construccin queden tramos de conducto sin recubrimiento, puede ser necesario usar mayores espesores, lo cual no afecta el funcionamiento de los drenes, sino que lo protege contra cualquier defecto constructivo, porque a medida que aumenta el espesor de las capas del forro filtrante, disminuye el riesgo de que los granos ms finos del acufero sean arrastrados hacia el interior del conducto (ver figura 8).

Figura 8.- Distribucin de capas concntricas en el forro filtrante

Actualmente, se dispone de geotextiles de material sinttico resistente al agua, que pueden ser empleados de manera exitosa en la conformacin del forro filtrante . Al efecto, el geotextil se tiende en el fondo de la zanja o trinchera y sobre l se acomodan las diferentes capas de grava del forro filtrante que han de rodear al dren. Una vez concluido el acomodo de todas las capas filtrantes, se cierra conformando el empaque de grava.

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Galeras de InfiltracinEncima del empaque se coloca el material de excavacin hasta aproximadamente unos 0.30 m por debajo de la superficie natural del terreno (ver figuras 9 y 10).

Figura 9.- Proceso constructivo del pozo filtrante

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Figura 10.- Seccin longitudinal de galera de filtracin 5.3.- Sello impermeable En las galeras ubicadas en las mrgenes de los ros o lagos y en los acuferos con escurrimiento propio, es recomendable sellar la parte superior del relleno de la galera. Se sella con material impermeable para evitar que el agua estancada filtre hacia la galera y contamine el agua captada. Adicionalmente, la funcin del sello impermeable es aumentar la longitud del recorrido del agua superficial a travs de la masa de suelos, y as mejorar su calidad fsica y bacteriolgica. El sello impermeable puede estar formado por una capa de arcilla de unos 30 centmetros de espesor. Este sello se puede complementar si se coloca en la parte inferior papel impermeable o geomembrana. Para evitar que el agua superficial se estanque, se recomienda que la capa impermeable quede un poco ms alta que el terreno circundante y con una pendiente que facilite el drenaje del agua superficial fuera del rea donde se ubica el dren (ver figura 11)

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Figura 11.- Seccin longitudinal de galera de filtracin 5.4 Pozo colector La funcin de este pozo es reunir el agua drenada por la galera de filtracin y facilitar, si fuera el caso, el bombeo de esta agua. El pozo puede ser circular o rectangular, y sus dimensiones deben permitir que un hombre realice labores el mantenimiento de los conductos y vlvulas de regulacin de los drenes y de los equipos de impulsin (ver figura 12). Las paredes, el fondo y la parte superior del pozo deben ser de concreto reforzado y los acabados de las paredes y del fondo deben ser impermeables. La parte superior del pozo debe llevar una abertura para la instalacin de una tapa de concreto o de fierro y,

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Galeras de Infiltracindependiendo de su profundidad, debe estar dotado de escalinatas para facilitar el acceso de un hombre al fondo del pozo.

Figura 12.- Detalles del pozo o cmara colectora. Es recomendable que el fondo del pozo se prolongue unos 60 centmetros por debajo de la boca de salida del dren para permitir la acumulacin de la arena que pudiera ser arrastrada por las aguas captadas y facilitar el funcionamiento satisfactorio del equipo de impulsin del agua, si lo hubiera. En el caso de que la galera est ubicada en las mrgenes de un curso o cuerpo de agua y que el rea del pozo est sujeta a inundacin durante grandes avenidas, se debe elevar la tapa del pozo colector hasta una altura mayor a la que pueda alcanzar el agua, para evitar la entrada de agua superficial y la contaminacin del agua captada por la galera de filtracin.

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Galeras de Infiltracin5.5.- Cmaras de inspeccin En casos de galeras de gran longitud, se colocarn cmaras de inspeccin en el extremo inicial y a intervalos regulares para facilitar su mantenimiento. Sin embargo, en pequeas galeras, se puede colocarse tapones al inicio del ramal. Las cmaras de inspeccin son similares a las usadas en los sistemas de alcantarillado sanitario, distanciadas entre ellas unos 50 m para dimetros de 200 mm, y hasta de 100 m para dimetros mayores de 200 mm. Estas cmaras, al igual que el pozo colector, deben tener el fondo y las paredes impermeabilizados. Adems, la elevacin de la tapa debe estar por encima del nivel mximo que alcanzan las aguas en el caso que la galera se encuentre expuesta a inundaciones 5.6.- Vlvulas de control Las vlvulas de control deben instalarse en el extremo inferior del dren y en la cmara de inspeccin o el pozo colector. Tiene por finalidad controlar la velocidad de ingreso del agua por las ranuras de los drenes o la depresin del nivel fretico. Por ningn motivo la columna de agua deber ser menor a 0,30m por encima del conducto perforado. 6.- Riesgos operacionales de las galeras de infiltracin El principal riesgo en el uso de las galeras de infiltracin como medio para la captacin del agua subterrnea es la posibilidad de la obstruccin de los orificios del tubo recolector, ya que a pesar del relleno de grava cierta materia suspendida puede ingresar al tubo, provocando con el paso del tiempo la acumulacin de este material y la posterior saturacin del dren. Para evitar este problema se debe lograr una velocidad del agua en el dren capaz de expulsar cualquier depsito de sedimentos realizando de esta manera su autolimpieza. Las velocidades en los drenes deber ser superiores a los 0.5 mps pero no mayores de 1.0 mps de los contrario, las prdidas por friccin sern demasiado elevadas. Esto provocar un abatimiento y una extraccin del nivel de agua subterrnea desiguales a lo largo del dren. Otro riesgo que existe al utilizar las galeras es la posibilidad de que el hierro y manganeso estn presentes en el agua subterrnea en este caso los depsitos de hierro y manganeso pueden obstruir las aberturas del dren y el relleno de grava. En estos casos es necesario colocar los drenes a profundidades de 4 a 5 m por debajo del nivel de agua subterrnea existente para evitar que el oxgeno penetre en los drenes y forme los depsitos de precipitacin de estos materiales.

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Galeras de Infiltracin7.- Fuentes de informacin consultadas. 1.- Abastecimiento de Agua. Material de estudio de la Maestra en Ingeniera Ambiental de la Universidad Nacional de Ingeniera. Centro de Investigaciones y Estudios del Medio Ambiente CIEMA. Curso Acadmico 2004-2005. 2.- Galeras Filtrantes para pequeos sistemas. Hoja de divulgacin tcnica HDT- No 91/ Diciembre 2003. ISSN:1018 -5119. Organizacin Panamericana de la Salud - OPS. 3.- Manual de Diseo de Galeras Filtrantes. Organizacin Panamericana de la Salud. Ao 2000. Lima , Per.

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