Son bien conocidas las dificultades prácticas, junto con los costos ambientales y monetarios de obtener y colocar grava de drenaje. El reconocimiento de las deficiencias de los métodos tradicionales y el uso cada vez mayor de geotextiles como filtros llevaron al desarrollo de geocompuestos de drenaje. Estos geocompuestos han sido una forma aceptada de drenaje en una variedad de aplicaciones de ingeniería civil durante más de 25 años y ahora están disponibles en una variedad de formas. Este documento analiza cómo se evalúan los caudales de agua tanto en grava de drenaje como en geocompuestos de drenaje.
Drenaje de aguas subterráneas: geocompuestos versus grava
Aplicaciones de drenaje de aguas subterráneas
Las aplicaciones de drenaje de aguas subterráneas son muy variadas e incluyen situaciones verticales (p. ej., drenaje detrás de un muro de contención o sótano), horizontales (p. ej., drenaje en una plataforma de podio) y diversas situaciones inclinadas (p. ej., sistemas de drenaje dentro de vertederos o sistemas de drenaje de suelos). La capacidad de flujo de una capa de drenaje granular depende de su tamaño (área de sección transversal), el gradiente hidráulico, la permeabilidad del medio de drenaje y, en el caso de geocompuestos de drenaje, la presión de confinamiento.
Flujo de agua subterránea en grava de drenaje
Las propiedades definitorias especificadas para una capa de drenaje granular son su tamaño (área de la sección transversal) y la permeabilidad del material granular.
Permeabilidad del material granular
La permeabilidad (k) de los materiales granulares normalmente se mide en un laboratorio y se expresa como un valor en m/s. Los valores típicos de permeabilidad para gravas de drenaje de uso común se muestran en la Tabla 1.
Notas:
- Los valores de permeabilidad se han evaluado basándose en ensayos de laboratorio sobre piedra recién extraída y muestras tomadas en obra. Son una estimación de valores típicos y no se debe confiar en ellos para el diseño. Se recomienda encarecidamente realizar pruebas específicas del sitio, junto con factores de reducción de flujo para tener en cuenta la trituración de piedra durante la instalación y los riesgos de obstrucción a largo plazo.
Para mantener la permeabilidad medida en el laboratorio una vez instalada en el sitio, la grava de drenaje debe envolverse en un geotextil o encerrarse dentro de concreto poroso para evitar que el suelo de grano fino se mezcle con la grava y obstruya los huecos, lo que reduce en gran medida la permeabilidad del grava.
Calcular la capacidad de flujo de grava de drenaje
Utilizando la Ley de Darcy para el movimiento del agua, la capacidad de flujo a través de un material granular viene dada por:
La permeabilidad especificada de la piedra filtrante generalmente varía de 10-1 m/s a 10-4 m/s y las estructuras enterradas generalmente tienen gradientes hidráulicos de 0.01 a 1.0 (equivalente a aplicaciones casi horizontales y verticales, respectivamente). Por lo tanto, la capacidad máxima de drenaje para una capa de drenaje granular típica de 300 mm de espesor puede oscilar entre 30 l/ms y 0.0003 l/ms.
Flujo de aguas subterráneas en geocompuestos de drenaje
¿Qué son los geocompuestos de drenaje?
Los geocompuestos de drenaje generalmente comprenden un geoespaciador de polietileno de alta densidad (HDPE) (también conocido como núcleo de HDPE) con un geotextil de polipropileno (PP) laminado en uno o ambos lados, y generalmente se caracterizan por su tipo de núcleo (consulte la Figura 2). Son livianos, rentables y tienen una capacidad de drenaje equivalente o mejor en comparación con las soluciones de drenaje granular más tradicionales envueltas en un geotextil o encerradas dentro de concreto poroso.
Figura 2: Geocompuestos de drenaje típicos
Los geocompuestos de drenaje permiten que el agua fluya mucho más rápido que en un medio de drenaje granular. Esto significa que, por ejemplo, un geocompuesto de drenaje de 6 mm de espesor puede manejar el mismo flujo de agua que una capa de drenaje granular de 300 mm de espesor y que la permeabilidad efectiva de un geocompuesto de drenaje es aproximadamente 50 veces mayor que la de la grava de drenaje debido a la estructura de vacío abierto proporcionada. Considerando las densidades relativas de cada material, esto significa que 1 kg de geocompuesto de drenaje tiene el mismo caudal que 1,000 kg de grava de drenaje (Bamforth, 2008).
¿Cómo se mide el flujo de agua del geocompuesto de drenaje?
El flujo de agua en un geocompuesto de drenaje se conoce como flujo en el plano (flujo dentro del núcleo de HDPE) y se mide en un laboratorio de acuerdo con EN ISO 12958 o ASTM D4716. Estas pruebas colocan el geocompuesto bajo una presión constante y miden el flujo de agua a un gradiente hidráulico constante. Se pueden utilizar múltiples pruebas a diferentes presiones y gradientes hidráulicos para construir un diagrama de flujo para comprender el comportamiento del flujo en diferentes condiciones. El resultado de la prueba generalmente se expresa en litros por segundo por metro de ancho (l/m·s). Uno de los parámetros clave de esta prueba es cómo se aplica la presión al geocompuesto. Esto se debe a que cuando se instala un geocompuesto adyacente a un medio deformable, como el suelo, el geotextil puede ser empujado hacia el núcleo de HDPE, lo que puede estrangular el flujo. Los métodos de prueba permiten el uso de platos duros o blandos. Las placas blandas simulan la instalación en el suelo o condiciones similares y es importante garantizar que los resultados de las pruebas que se utilizan para el diseño sean los que mejor reflejen las condiciones del sitio en el que se utilizará el geocompuesto.
Calcular la capacidad de flujo de un geocompuesto de drenaje
Para evaluar la capacidad de flujo permisible (qallow) en un geocompuesto, se deben considerar varios factores de reducción como se describe a continuación (Koerner, 2012).
Donde qult = caudal del geocompuesto, según lo determinado a partir de pruebas de flujo en el plano.
Además de los factores de reducción descritos anteriormente y en la Tabla 2, se debe aplicar un factor de seguridad global tanto a los flujos de filtro granular como a los flujos de geocompuestos para obtener los flujos de diseño finales (Koerner, 2012).
Lugar:
FS = factor de seguridad global (aplicado tanto a flujos granulares como a flujos geocompuestos)
ꟼpermitir = caudal permitido
ꟼreqd = caudal requerido obtenido del diseño del sistema general.
Comparación de capacidad de flujo
Como se demostró anteriormente, para un determinado gradiente hidráulico (pendiente), la capacidad de flujo de una capa de drenaje granular depende del espesor de la capa y de la permeabilidad de la piedra utilizada. Para un geocompuesto de drenaje, las propiedades que lo rigen son; las dimensiones, resistencia y rigidez del geocompuesto y la magnitud y forma de la presión aplicada. A continuación, en la Figura 5, se muestra una comparación del flujo de agua en sistemas de drenaje granulares y geocompuestos típicos en aplicaciones verticales y casi horizontales.
Tenga en cuenta que los caudales que se muestran en la Figura 5 suponen que la capa granular está completamente envuelta en un geotextil adecuado o en concreto sin finos para evitar que los finos migren hacia la capa y que el material granular es altamente resistente a la abrasión/fragmentación. Por lo tanto, los caudales mostrados para la capa granular representan los mejores escenarios. Los caudales de los geocompuestos de drenaje se basan en nuestros geocompuestos de drenaje en cúspide de varios espesores bajo una presión de 20 kPa utilizando placas de espuma suave.
Beneficios adicionales
Además de ofrecer rendimiento de drenaje, los geosintéticos de drenaje también ofrecen importantes beneficios ambientales, económicos y de seguridad, ya que son más livianos y fáciles de instalar que los métodos tradicionales. Las emisiones de gases de efecto invernadero de una solución geosintética de drenaje son entre un 50% y un 90% más bajas que las soluciones tradicionales debido a la masa significativamente menor de material requerido, las menores emisiones de transporte y la instalación más rápida y sencilla. Por las mismas razones, la emisión de óxidos de nitrógeno nocivos (NOx, principalmente de motores diésel) se reduce entre un 70% y un 95% (Heritage y Shercliff, 2020). La misma fuente identifica que los costos se reducen entre un 80% y un 95% y analiza los beneficios de seguridad de la reducción de los movimientos de vehículos que entran en conflicto con los movimientos de los peatones (también conocido como tiempo de exposición).
Conclusión
Como se demostró anteriormente, los geocompuestos de drenaje se pueden usar para reemplazar el drenaje granular en casi todas las aplicaciones. Los métodos en esta nota técnica describen el proceso mediante el cual se puede comparar un diseño de grava de drenaje con un geocompuesto de drenaje. Además, los geocompuestos de drenaje son mejores para el medio ambiente, más rentables y más seguros de instalar en comparación con el drenaje de grava tradicional. Para obtener una ilustración específica para su sitio, comuníquese con Geotexan!
Referencias
ASTM D4716/D4716M-20, Método de prueba estándar para determinar el caudal (en el plano) por unidad de ancho y la transmisividad hidráulica de un geosintético utilizando una carga constante, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2020, www.astm.org
Bamforth, A. (2008) Papel de la dureza del plato en la interpretación y el uso de los resultados de las pruebas de capacidad de flujo en el plano para geosintéticos. Documento presentado en la 4ª Conferencia Europea de Geosintéticos, Escocia, 2008.
Normas españolas. Geotextiles y productos relacionados con geotextiles – Determinación de la capacidad de flujo de agua en su plano. UNEEN ISO 12958:2020.
Koerner, RM (2012) Diseño con geosintéticos, sexta edición. Indiana, Estados Unidos: Xlibris
Heritage, R. & Shercliff, D. (2020) ¿Plástico o hormigón? El uso de geosintéticos de drenaje para reemplazar alternativas innecesarias que dañan el medio ambiente. Trabajo presentado en la 7ma Conferencia Europea de Geosintéticos, Polonia