Las dificultades prácticas, junto con los costes medioambientales y económicos que supone la obtención y la colocación de grava de drenaje, son bien conocidas. El reconocimiento de las deficiencias de los métodos tradicionales y el uso cada vez mayor de geotextiles como filtros condujeron al desarrollo de los geocompuestos de drenaje. Estos geocompuestos llevan más de 25 años siendo una forma aceptada de drenaje en diversas aplicaciones de ingeniería civil y actualmente están disponibles en una gran variedad de formas. En este documento se analiza cómo se evalúan los caudales de agua tanto en la grava de drenaje como en los geocompuestos de drenaje.
Drenaje de aguas subterráneas: geocompuestos frente a grava
Aplicaciones de drenaje de aguas subterráneas
Las aplicaciones de drenaje de aguas subterráneas son muy variadas e incluyen el drenaje vertical (por ejemplo, el drenaje detrás de un muro de contención o en un sótano), el drenaje horizontal (por ejemplo, el drenaje en la cubierta de un podio) y diversas situaciones en pendiente (por ejemplo, sistemas de drenaje en vertederos o sistemas de desagüe del terreno). La capacidad de flujo de una capa de drenaje granular depende de su tamaño (área de la sección transversal), del gradiente hidráulico, de la permeabilidad del medio de drenaje y, en el caso de los geocompuestos de drenaje, de la presión de confinamiento.
Flujo de aguas subterráneas en la 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 se mide normalmente en un laboratorio y se expresa como un valor en m/s. En la Tabla 1 se muestran los valores típicos de permeabilidad de las gravas de drenaje más utilizadas.
Aplicaciones de drenaje de aguas subterráneas
Las aplicaciones de drenaje de aguas subterráneas son muy variadas e incluyen el drenaje vertical (por ejemplo, el drenaje detrás de un muro de contención o en un sótano), el drenaje horizontal (por ejemplo, el drenaje en la cubierta de un podio) y diversas situaciones en pendiente (por ejemplo, sistemas de drenaje en vertederos o sistemas de desagüe del terreno). La capacidad de flujo de una capa de drenaje granular depende de su tamaño (área de la sección transversal), del gradiente hidráulico, de la permeabilidad del medio de drenaje y, en el caso de los geocompuestos de drenaje, de la presión de confinamiento.
Flujo de aguas subterráneas en la 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 se mide normalmente en un laboratorio y se expresa como un valor en m/s. En la Tabla 1 se muestran los valores típicos de permeabilidad de las gravas de drenaje más utilizadas.
La permeabilidad especificada de la grava filtrante suele oscilar entre 10⁻¹ m/s y 10⁻⁴ m/s, y las estructuras enterradas suelen presentar gradientes hidráulicos de entre 0,01 y 1,0 (equivalentes a aplicaciones casi horizontales y verticales, respectivamente). Por lo tanto, la capacidad máxima de drenaje de una capa de drenaje granular típica de 300 mm de espesor puede situarse en cualquier punto del intervalo comprendido 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 suelen estar compuestos por un geoespacador 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 se caracterizan normalmente por su tipo de núcleo (véase la figura 2). Son ligeros, rentables y tienen una capacidad de drenaje equivalente o superior a la de las soluciones de drenaje granulares más tradicionales envueltas en un geotextil o encapsuladas en hormigón 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 gestionar el mismo caudal 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, gracias a su estructura de huecos abiertos. Teniendo en cuenta 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 caudal de agua en un geocompuesto de drenaje?
El caudal de agua en un geocompuesto de drenaje se conoce como caudal en el plano (caudal dentro del núcleo de HDPE) y se mide en un laboratorio de acuerdo con la norma EN ISO 12958 o ASTM D4716. En estos ensayos, se somete al geocompuesto a una presión constante y se mide el caudal de agua con un gradiente hidráulico constante. Se pueden realizar múltiples ensayos a diferentes presiones y gradientes hidráulicos para elaborar un diagrama de flujo que permita comprender el comportamiento del flujo en distintas condiciones. El resultado del ensayo suele expresarse en litros por segundo por metro de anchura (l/m·s). Uno de los parámetros clave de este ensayo es la forma en que se aplica la presión al geocompuesto. Esto se debe a que, cuando un geocompuesto se instala junto 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 ensayo permiten el uso de placas duras o blandas. Las placas blandas simulan la instalación en suelo o condiciones similares, y es importante garantizar que los resultados de los ensayos que se utilicen para el diseño sean los que mejor reflejen las condiciones in situ en las que se va a utilizar el geocompuesto.
Cálculo de la capacidad de flujo de un geocompuesto de drenaje
Para evaluar la capacidad de flujo admisible (qallow) de un geocompuesto, deben tenerse en cuenta varios factores de reducción, tal y como se describe a continuación (Koerner, 2012).
Donde qult = caudal del geocompuesto, determinado a partir de ensayos de flujo en el plano.
Además de los factores de reducción descritos anteriormente y en la tabla 2, debe aplicarse un factor de seguridad global tanto a los caudales de los filtros granulares como a los de los geocompuestos para obtener los caudales de diseño definitivos (Koerner, 2012).
Dónde:
FS = factor de seguridad global (aplicado tanto a los flujos granulares como a los de geocompuestos)
ꟼallow = caudal admisible
ꟼreqd = caudal requerido, obtenido a partir del diseño del sistema global.
Comparación de la capacidad de caudal
Como se ha demostrado anteriormente, para un gradiente hidráulico (pendiente) dado, la capacidad de caudal de una capa de drenaje granular depende del espesor de la capa y de la permeabilidad del material granular utilizado. En el caso de un geocompuesto de drenaje, las propiedades determinantes son: las dimensiones, la resistencia y la rigidez del geocompuesto, así como la magnitud y la forma de la presión aplicada. En la figura 5 que se muestra a continuación se presenta una comparación del caudal de agua en sistemas de drenaje granulares y geocompuestos típicos, en aplicaciones verticales y casi horizontales.
Cabe señalar que los caudales que se muestran en la figura 5 suponen que la capa granular está completamente envuelta en un geotextil adecuado o en hormigón sin finos para evitar que estos migren hacia la capa, y que el material granular es altamente resistente a la abrasión y la fragmentación. Por lo tanto, los caudales mostrados para la capa granular representan los mejores casos posibles. Los caudales de los geocompuestos de drenaje se basan en nuestros geocompuestos de drenaje con cúspides de diversos espesores sometidos a una presión de 20 kPa utilizando placas de espuma blanda.
Ventajas adicionales
Además de ofrecer un buen rendimiento en materia de drenaje, los geosintéticos de drenaje también aportan importantes ventajas medioambientales, económicas y de seguridad, ya que son más ligeros y fáciles de instalar que los métodos tradicionales. Las emisiones de gases de efecto invernadero de una solución con geosintéticos de drenaje son entre un 50 % y un 90 % inferiores a las de las soluciones tradicionales, debido a la reducción significativa de la masa de material necesaria, a la disminución de las emisiones derivadas del transporte y a una instalación más rápida y sencilla. Por las mismas razones, la emisión de óxidos de nitrógeno nocivos (NOx, procedentes principalmente de motores diésel) se reduce entre un 70 % y un 95 % (Heritage y Shercliff, 2020). La misma fuente señala que los costes se reducen entre un 80 % y un 95 % y analiza las ventajas en materia de seguridad derivadas de la reducción de los movimientos de vehículos que entran en conflicto con los de los peatones (lo que se conoce como «tiempo de exposición»).
Conclusión
Como se ha demostrado anteriormente, los geocompuestos de drenaje pueden utilizarse para sustituir al drenaje granular en casi todas las aplicaciones. Los métodos descritos en esta nota técnica explican el proceso mediante el cual se puede comparar el diseño de un drenaje de grava con el de un geocompuesto de drenaje. Además, los geocompuestos de drenaje son más respetuosos con el medio ambiente, más rentables y más seguros de instalar en comparación con el drenaje tradicional de grava. Para obtener una ilustración específica para su obra, ¡póngase en contacto con Geotexan!
Referencias
ASTM D4716 / D4716M-20, Método de ensayo estándar para determinar el caudal (en el plano) por unidad de anchura 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 de la placa en la interpretación y el uso de los resultados de los ensayos de capacidad de flujo en el plano de los geosintéticos. Ponencia presentada en la 4.ª Conferencia Europea de Geosintéticos, Escocia, 2008.
Normas españolas. Geotextiles y productos relacionados con los geotextiles. Determinación de la capacidad de flujo de agua en su plano. UNE EN ISO 12958:2020.
Koerner, R. M. (2012) Diseño con geosintéticos, 6.ª edición. Indiana, Estados Unidos: Xlibris
Heritage, R. y Shercliff, D. (2020) ¿Plástico o hormigón? El uso de geosintéticos de drenaje para sustituir alternativas innecesarias y perjudiciales para el medio ambiente. Ponencia presentada en la 7.ª Conferencia Europea sobre Geosintéticos, Polonia