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Geología, Morfología del terreno y Climatología UPM - ETSIC
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I TEMA 8 i HIDROGEOLOGÍA. EL AGUA EN EL TERRENO
1. HIDROGEOLOGÍA Ciencia que estudia el agua subterránea. El agua que se encuentra entre los huecos del terreno y que
puede circular.
El agua subterránea se utiliza para: Abastecimiento, Regadío e Industria.
El agua existente en el terreno puede incidir negativamente en las Obras Civiles:
• Altera las propiedades físicas del terreno.
- Disminuye la COHESIÓN (Arcillas y limos)
- Produce HINCHAMIENTO (Arcillas y yesos)
- Alteran la PRESIÓN (Muros de carga)
- Producen DISOLUCIÓN (Calizas y yesos)
• Perturba la ejecución de las obras.
- CIMENTACIONES (Rebajar el Nivel freático)
- TÚNELES (Presencia de agua)
- PRESAS (Fugas de agua, inyecciones)
- TALUDES (Drenes)
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2. EL CICLO DEL AGUA
Ecuación del Balance hídrico:
P = E + EVT + I ± ΔR
Precipitación (P):
Se mide en litros/m2 = mm de altura
• Los datos se representan mediante isoyetas
• Medidas de la (P) en una cuenca:
- Media aritmética:
- Polígonos de Thyessen:
- Método de las isoyetas:
MAPA DE ISOYETAS
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Escorrentía (E): Se mide mediante aforos.
Existen fórmulas empíricas (Coutagne)
β : 0,007 (zonas secas)
0,010
0,012
0,016
0,020 (zonas muy lluviosas)
Evapotranspiración (EVT):
Pérdidas por Evaporación y transpiración.
Se estiman por métodos empíricos de cálculo.
— THORNTHWAITE (EVT Potencial)
en la que: N = número máximo de horas de sol
d = número de días del mes
ε = evapotranspiración potencial media
t = temperatura media diaria del mes en ºC
I = Índice de calor anual
a = 675x10-9xI3 - 771x10-7xI2 + 1972x10-5xI + 0,49239
— TURC (EVT Real)
en la que: P = Precipitación en mm/año
L = 300 + 25t + 0.025 t2
t = temperatura media anual en ºC
INFILTRACIÓN (I): El Agua que se infiltra. Recursos
I = P – E – EVT
RESERVA DE LOS ACUÍFEROS (± ΔR): Puede variar o no.
Depende si se explotan los Recursos
Origen de las aguas subterráneas:
• Procede de la precipitación del agua de lluvia, que en una cierta proporción se infiltra.
• La explotación de las aguas subterráneas se realiza por: Pozos, Galerías y Sondeos.
3. ACUÍFEROS El agua que se infiltra (I = P – E – EVT) pasa a formar parte de los acuíferos.
El agua que existe en el terreno esta de varias formas:
• CONSTITUCIÓN: Solo se pierde por desecación.
• INHIBICIÓN: Se pierde por evaporación.
• GRAVEDAD: Ocupa los poros y fisuras y puede circular
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Distribución del agua de lluvia en distintos terrenos
Naturaleza del terreno Evaporación % Escorrentía % Infiltración %
Terreno arcilloso horizontal sin niveles
permeables 75 22 3
Terreno arcilloso silíceo con caliza
(tierra de labor) 50 5 45
Arenisca compactas y poco fisuradas 50 20 30
Calizas horizontales y muy fisuradas 45 5 50
Calizas fisuradas y con fuerte pendiente 25 5 70
Granito y gneis no alterados en
superficie 60 30 10
Pizarras no alteradas en superficie 50 25 25
Rocas volcánicas con oquedades 30 0 70
Aluviales en la superficie del terreno con
poca arcilla 30 5 65
La zona saturada por el agua constituye un ACUÍFERO, cuyo techo, que está a presión atmosférica, se
conoce como NIVEL FREÁTICO.
Movimiento del agua en el ACUÍFERO:
En el suelo (Capacidad de campo)
En la zona no saturada (Gravedad. Vertical descendente)
En la franja capilar (Absorción)
En la zona saturada (Isopiezas)
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ACUÍFEROS como Formaciones Geológicas
Acuíferos (Gravas, arenas, calizas)
Acuitardos (Arenas limosas y arenas arcillosas)
Acuicludos (Arcillas)
Acuifugos (Granito, gneis)
Tipos de ACUÍFEROS
Textura
Acuíferos porosos (Materiales detríticos)
Acuíferos cársticos y fisurados (Calizas, yesos)
Acuíferos cársticos y porosos (Calcarenita)
Hidráulica y estructura
Acuíferos libres
Acuíferos semiconfinados
Acuíferos confinados o cautivos
Detrítico
Detrítico de
marga arcillosa
Fisurado
Cárstico
Detrítico de
matriz limosa
Detrítico de
grano poroso
Cárstico y poroso
Acuífero poroso (Detrítico)
Acuífero cárstico y fisurado
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Tipos de ACUÍFEROS. Hidráulica y estructura
Acuífero libre
Acuífero confinado
Acuífero semiconfinado
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Funcionamiento hidrodinámico de los diferentes tipos de acuíferos
4. PARÁMETROS HIDROGEOLÓGICOS • Porosidad (n): Es el conjunto de huecos del terreno, en %, en relación con su volumen total
(Adimensional).
Vh
Vt
Vs
— Porosidad eficaz (ne):
— Retención específica (Re): Agua de constitución + Agua de Inhibición
— Porosidad total (nt): nt = ne + Re
La Porosidad depende del terreno:
Terreno granular Terreno cohesivo
Forma y tamaño del grano,
Compactación y Cementación Fisuración, Meteorización y Disolución
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• Permeabilidad (K) (m/día): Es la capacidad del terreno de dejar pasar agua a su través.
Ley de Darcy (1856). Circulación de un fluido en un medio poroso.
Q = V . A , V = K . i , Q = K . i . A
— Coeficiente de Permeabilidad
Es el caudal (Q) que se filtra a través de una sección unidad del terreno, con un gradiente
unidad (i=1), entrando el agua a una temperatura fija.
• Transmisividad (T) (m2/día):
Es el caudal (Q) que se filtra a través de una sección vertical del terreno de ancho la unidad y
altura la del acuífero, cuyo gradiente es la unidad, a una temperatura fija del agua.
T = K . b
• Coeficiente de almacenamiento (S):
En acuíferos libres: El volumen de agua extraíble de una unidad de acuífero saturado. Porosidad
eficaz.
En acuíferos confinados: el volumen de agua extraíble de una columna vertical de terreno que
tiene por base la unidad y altura la media del acuífero (b), para rebajar el nivel en una unidad.
Ley de DARCY (1856). Rige el movimiento del agua en un acuífero y establece que el flujo a través de un
medio poroso es proporcional a la pérdida de carga, a la sección considerada y la conductividad
hidráulica (Permeabilidad K).
Q = V . A , V = K . i
i = h1-h2/L
Q = K . i . A
L3/T = [K] . L/T . L2
[K] = L3/L2 . T = L/T
[K] (m/día, cm/seg,.)
h1 - h2
h1 h2
A Q
Nivel de referencia
L
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Permeabilidad y Transmisividad
T = K . b
[T] = L/T . L
[T] = L2/T
[T] (m2/día, m2/seg…)
MEDIDA DE LA PERMEABILIDAD
1. Tablas. A partir de datos conocidos
Valores de permeabilidad
(Según A. Benítez)
Permeabilidad
cm/seg. 102 1 10-3 10-5 10-7 10-8
Tipo de
terreno
Grava
limpia
Arena
limpia
Arena fina,
arena arcillosa,
mezcla de
arena, limo y
arcilla
Arcilla
Calificación Buenos
acuíferos
Acuíferos
pobres Impermeables
Capacidad de
drenaje Drenan bien
Drenan
mal No drenan
Uso en presas
Partes
permeables de
las presas
Uso en pantallas
impermeables
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2. Ensayos de laboratorio
3. Ensayos “in situ”
• En excavaciones (suelos).
Método de Haefeli
El ensayo se basa en llenar una excavación con agua hasta una altura cualquiera, A)
manteniendo el nivel constante y midiendo el caudal de agua necesario para ello, o B)
manteniendo la velocidad de descenso del nivel de agua.
A. NIVEL CONSTANTE
K = permeabilidad en cm/seg
Q = Caudal añadido en cm3/seg
b = Lado de la base inferior en cm
h = altura de agua sobre la base en cm
α= coeficiente de capilaridad de valor 3
B. NIVEL VARIABLE
K = permeabilidad en cm/seg
hm= altura media del agua en el
periodo medido en cm
v = velocidad de descenso cm/seg
1,50 m
0,50 m
0,50 m
0,50 m
1,50 m
ESCALA
0,50 m
0,50 m
1,50 m
Permeámetro de carga fija
(arenas)
Permeámetro de carga variable
(arcillas)
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Método de Matsuo
B = Ancho de la canaleta
Q = Caudal necesario para mantener el nivel constante en la canaleta por unidad de longitud
H = Espesor de la lámina de agua estabilizada desde el fondo de la canaleta hasta la superficie
K = Permeabilidad en cm/seg
• Este ensayo se realiza en el interior de excavaciones en suelos secos
semisaturados.
• La permeabilidad (K) se determina a partir del caudal infiltrado en una
excavación con forma de canaleta.
• La longitud de la canaleta debe ser mucho mayor que su anchura
• En sondeos.
En suelos. Ensayo Lefranc
- Carga fija (arenas)
K = Coeficiente de Permeabilidad (cm/seg)
NF = Nivel freático
P = Profundidad de la perforación (cm)
E = profundidad de la entubación cm)
e = entubación por encima del terreno (cm)
de = diámetro entubación (cm)
d = diámetro perforación (cm)
h = tramo ensayado (cm)
H = carga piezométrica (cm)
Q = Caudal admitido (cm3/seg)
Coeficiente de Permeabilidad
B Q
H
Nivel impermeable muy bajo
B Q
H
Nivel impermeable somero
Q
H
NF
E
P
Hs
de
h
d
e
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- Carga variable (arcillas)
K = Coeficiente de permeabilidad
(cm/seg)
NF = Nivel freático
P = Profundidad de la perforación (cm)
E = profundidad de la entubación cm)
e = entubación por encima del terreno
(cm)
r = radio de la entubación (cm)
R = radio de la perforación (cm)
l = longitud del tramo ensayado (cm)
H1 = altura de la columna de agua en el
tiempo t1.
H2 = altura de la columna de agua en el
tiempo t2.
Coeficiente de Permeabilidad
En rocas. Ensayo Lugeon
Consiste en ensayar un tramo de 5 m, inyectando agua con presión de hasta 10 Kg/cm2,
durante 10 minutos.
Q = caudal inyectado en l/minuto, medido durante
10 minutos
C = Tramo ensayado (5 metros)
P = Presión 10 kg/cm2
Permeabilidad LUGEON
1 UL = litro/metro x minuto
Permeabilidad
equivalente de DARCY
1 UL ≈ K = 1,5 a 2,1 x 10-5 cm/seg
- ¿Para qué sirve?
Determina la permeabilidad de un macizo rocoso.
Unidades Lugeón: Absorción de 1 litro de agua por minuto y por metro de sondeo.
e
H1
H2
NF
E
P
H3
2r
l
2R
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- Interpretación Ensayo Lugeon.
• En pozos
Ensayos de bombeo en acuífero libre
Permeabilidad. T = K x m , K = 500 / 10 = 50 m/día
Caudal bombeo.
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Ensayo de bombeo en acuífero confinado
Permeabilidad.
T =K x m = 500 m2/día
K =T/m = 500/10 =50 m/día
Caudal bombeo.
FÓRMULA DE THIEM. ACUÍFERO LIBRE
Según DARCY
Pozo de
bombeo PB P1
Pozos de
obdervación P2
Nivel del terreno
NF Nivel freático
s2
s1
m h2
h1
Estrato Impermeable
R (Radio de influencia)
dh
dr
r1
r2
r
h
rp
Q
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Integrando
,
En la figura del acuífero tenemos que:
Cuando los pozos de observación están muy alejados del pozo de bombeo, los descensos s1 y s2 son
pequeños y entonces:
Despejando el caudal, Q:
Fórmula de Thiem
FÓRMULA DE DUPUIT. ACUÍFERO LIBRE
Cuando no se tienen piezómetros se puede emplear la fórmula de Thiem, teniendo en cuenta
que se pueden sustituir los valores de r1 por el radio del pozo de bombeo rp y el valor r2 por el
radio de influencia R, así como el valor de s1 por (descenso en el pozo de bombeo) y s2 = 0, se
obtiene la siguiente expresión:
Fórmula de Dupuit
2
22
1
2
212
hh
Q
KLrLr
2
1
2
2
1
2 hhQ
K
r
rL
1221
1
2 hhhhQ
K
r
rL
12122 sshhm 122 hhm
22 shm 1122 shsh
11 shm 2112 sshh
s
r
RL
mKQ
p
2
21
1
2
2ss
r
rL
mKQ
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FÓRMULA DE THIEM. ACUÍFERO CONFINADO
Según DARCY
Integrando
En la figura del acuífero tenemos que:
Despejando el caudal, Q:
Fórmula de Thiem
1212
2hh
Q
mKLrLr
12
1
2 2hh
Q
mK
r
rL
21
1
2 2ss
Q
mK
r
rL
2
1
2
1
2 h
h
r
rdh
Q
mK
r
dr , 2
1
2
1
2 h
h
r
r hQ
mKLr
1122 shsh
2112 sshh
21
1
2
2ss
r
rL
mKQ
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FÓRMULA DE THIEM. CAUDAL DE AGUA EN UNA GALERÍA POR METRO DE ESPESOR
Integrando
Según DARCY
Q =V . A =K . i . A
Despejando el caudal, Q:
Caudal por m de
galería filtrante
Caudal correspondiente
a la mitad de la galería
Nivel del terreno
NF Nivel freático
h2
h1
x1
x2
dh
dx
x
h
2
1
2
1
h
h
x
xdhh
Q
Kdx
2
1
2
1 2
2h
h
x
x
h
Q
Kx
2
1
2
2122
hhQ
Kxx
dx
dhi h
dx
dhKQ
1 hA dhhQ
Kdx
12
2
1
2
2
2 xx
hhKQ