¿Qué es el nivel freático? Definición, diferencias con nivel piezométrico, agotamiento e implicación en obras

¿Qué es el nivel freático? Definición

El nivel freático puede definirse como el nivel superior del agua en un acuífero o más correctamente como el lugar donde la presión del agua es igual a la de la presión atmosférica.

El nivel freático o también llamada capa freática o napa freática puede medirse mediante una perforación en el subsuelo. La distancia medida entre el agua subterránea y la superficie se corresponde con el nivel freático.

Estas perforaciones se denominan piezómetros abiertos y juegan un papel muy importante en la geotecnia para determinar las condiciones de cimentación, subpresiones, empujes de tierras o, por ejemplo, el abatimiento del mismo en excavaciones bajo el nivel freático.

Normalmente el nivel de agua se mide mediante una sonda piezométrica que no es más que una cinta métrica en cuya punta hay dispuesto un sensor que nos avisa mediante una luz o sonido del contacto con el agua.

El nivel de aguas freáticas también puede ser medido en sondeos o pozos o mediante instrumental especializado como piezómetros de cuerda vibrante, de Casagrande o Drive-in, transductores, etc. Estos aparatos además de medir la profundidad del nivel freático también miden el nivel piezométrico y las presiones intersticiales o presión de poro en los suelos saturados por lo que son de gran utilidad en la ingeniería geotécnica.

Imagen tomada de: https://es.wikipedia.org/wiki/Nivel_fre%C3%A1ticoo

Por último, indicar que en áreas donde el nivel freático se encuentra próximo a la superficie, suele abundar la vegetación freatofita como pueden ser en esteros, cañaverales o juncales.  Normalmente las plantas freatofitas tienen una tolerancia a la salinidad elevada. Una particularidad son los fresnos, chopos, sauces o álamos que son muy sensibles a la salinidad por lo que son un buen indicativo de agua freática potable. Por contra, hay plantas que no necesitan nivel freático ni siquiera sustrato para vivir, éstas son las plantas aéreas o del aire. Otro extremo que nos indica un nivel freático profundo o ausente son las plantas crasas, suculentas y cactus.

¿Qué es nivel piezométrico? Definición

Se define como el nivel superior o la superficie del de agua respecto a una referencia (normalmente respecto del nivel del mar) en los acuíferos libres mientras que en los acuíferos confinados se corresponde con la altura que alcanzaría el nivel del agua en el interior de un sondeo o piezométrico hasta igualarse a la presión atmosférica. Tiene en cuenta y, a diferencia del nivel freático, el exceso de presión que se genera en los acuíferos confinados.

Por tanto, hay que prestar atención en un confundir ambos términos (nivel freático y piezométrico) pues no son sinónimos y no se pueden usar indistintamente.

Al igual que en el nivel freático, el nivel piezométrico también puede ser medido mediante piezómetros abiertos, de cuerda vibrante, Drive-in, Casagrande, etc.

Cuando tenemos varios puntos piezométricos podemos trazar mediante la unión de estos puntos una superficie piezométrica y de este modo generar un mapa de isopiezas (líneas que unen la misma carga piezométrica). Son muy prácticas para determinar la dirección y sentido del flujo subterráneo y el gradiente hidráulico. Aspectos esenciales en los estudios hidrogeológicos de túneles, presas o excavaciones con pantallas bajo el nivel freático.

Al igual que se ha diferenciado con nivel freático y nivel piezométrico, también hay que diferenciar entre el término superficie piezométrica que es el lugar geométrico de los puntos de igual cota piezométrica del término superficie freática que es el lugar de geométrico de los puntos de un acuífero cuya presión es igual a la atmosférica y que coincide con la superficie del agua en acuíferos libres.

Nivel freático en cimentaciones

La existencia de un nivel freático alto constituye un factor de gran importancia en el proyecto y ejecución de cimentaciones cuyos efectos están asociados al tipo de terreno y sobre todo a su permeabilidad.

La consecuencia más directa se traduce en empujes hidrostáticos sobre muros, pantallas o entibaciones y subpresiones sobre las obras de cimentación.

Como más frecuentes pueden considerarse los casos siguientes:

a) Suelos arcillosos blandos

La saturación del terreno por el agua freática hace que tenga una consistencia blanda o fluida y, por tanto, una resistencia baja. Permite bajas presiones admisibles (enlace), elevados asientos, problemas de estabilidad de taludes y fondo de excavaciones.

b) Suelos arcillosos duros y consolidados

La presencia del nivel freático se traduce en pequeños caudales de agua hacia las excavaciones, generalmente a través de fisuras pero sin afectar a taludes moderados o a la capacidad portante del terreno.

Cabe prestar atención a la zona de fluctuación del nivel freático ya que suele presentar una menor resistencia. Debe evitarse esta zona en la medida de la posible bien cimentando por encima o por debajo de la misma.

Otro caso peculiar es el de las arcillas expansivas que se verán menos afectadas si la capa freática se encuentra muy alta y sin variaciones estacionales.

c) Suelos arenosos

Debido a su elevada permeabilidad debe evitarse tener que cimentar bajo el nivel freático. Si ello resulta imprescindible debe construirse recintos estancos como pantallas de hormigón, tablestacas, etc y realizar un rebajamiento del nivel freático. El abatimiento del nivel freático puede hacerse mediante arquetas de bombeo, well-points, etc.

Las variaciones de la napa freática suelen ser importantes en este tipo de suelos por lo que se recomienda medir el freático en distintas épocas del año.

La cimentación debería emplazarse siempre que sea posible por encima del nivel máximo para evitar la inmersión posterior y dar lugar a fenómenos de colapso o asientos bruscos, tanto más bruscos cuanto más flojo esté en su estado natural.

¿En qué consiste el abatimiento del nivel freático?

El agotamiento del nivel freático se puede entender como el conjunto de operaciones controladas que se realizan para mantener el nivel del agua a una determinada profundidad y asegurar el correcto desempeño del proceso constructivo.

En general, las soluciones de abatimiento del nivel freático consisten en: barreras físicas, sistemas de bombeo de agua a zonas externas a la excavación o una combinación de ambas.

Normalmente es recomendable que el nivel freático se mantenga a una profundidad superior a los 50 cm por debajo del fondo de la excavación y que se realicen los estudios hidrogeológicos pertinentes, para contemplar el proceso de extracción del agua, sin generar patologías geotécnicas asociadas como asientos o colapsos indeseables en la zona.

Al realizar una obra por debajo del nivel piezométrico, se corre el riesgo de inestabilidad de las paredes y de todas las estructuras enterradas en el terreno que, por subpresiones, sifonamientos, erosión interna o levantamientos hidráulicos del fondo, puedan presentar fallas que perturben el desempeño de la obra además de los inconvenientes propios de trabajar en un terreno inundado.

La presencia de agua puede producir a su vez, una disminución de las propiedades resistentes en los suelos y generar una presión adicional sobre las excavaciones.

Por lo tanto, es recomendable un rebajamiento del nivel freático previo a la excavación para trabajar en condiciones relativamente secas, estabilizar el fondo, reducir las cargas laterales en los taludes y convertir el material de excavación en un material ligero de fácil manejo y transporte.

Tipos de agotamiento del nivel freático

El nivel freático se puede deprimir por distintos métodos, los cuales dependerán de las necesidades y circunstancias de cada obra en particular.

En términos generales, se suelen emplear desde bombas sumergibles en calicatas o pozos perforados (wellpoints) hasta métodos alternativos tales como subdrenes de zanja, micropozos, túneles de drenaje, bloques de drenaje o pozos al vacío.

A continuación, se presentan los más habituales:

Wellpoint o pozos perforados

Este sistema de bombeo consiste en la aspiración del agua por medio de bombas de succión (de pequeño y mediano caudal) en distintos puntos de captación.

Con ello se logra controlar el descenso de agua subterránea en medios de baja permeabilidad donde esta no llegaría por gravedad a los pozos.

Es un método simple, versátil y con una relación de costo-beneficio razonable.

Es útil en una gran variedad de terrenos granulares con distintas densidades y graduaciones pero es especialmente eficiente en suelos de granulometría media sin presencia de finos ya que en otros suelos se necesitan operaciones adicionales de montaje, perforación previa y ejecución de filtro granular para asegurar su adecuado funcionamiento.

Los componentes del sistema son la bomba de hinca, lanzas o agujas, mangueras de presión, colectores para la tubería perimetral, bomba de vacío, alargadores, cuadro eléctrico y los accesorios adicionales pertinentes.

Se debe tomar en cuenta al utilizar el método, la limitación en la altura de aspiración, ya que los pozos llegan hasta 7 metros de profundidad y de 1,5 a 3 metros de extensión.

Del mismo modo, es importante considerar y prevenir durante el proceso, la posibilidad de colapso de la excavación o de los muros de contención por la presión que genera el agua tanto lateralmente como en la parte inferior del terreno excavado.

Wellpoint por inyección

Este método es una variante del pozo perforado con la diferencia del modo de colocación de las herramientas de succión y sobre todo en el rendimiento de estas, debido a que con este método se pueden instalar pozos de bombeo a distintas alturas, sin tener como valor limite los 7 metros que restringen al sistema de bombeo tradicional.

Este método suele ser más eficiente para situaciones complejas.

Método de pozos profundos

Se utiliza para terrenos medianamente permeables, en el orden de 10^-3 a 10^-4 cm/sg.

Consiste en perforaciones revestidas con una tubería ranurada en la parte inferior que permite el ingreso de agua del acuífero y luego su posterior extracción con tuberías de aspiración.

Zanjas drenantes

Son excavaciones realizadas con una retroexcavadora o manualmente y posteriormente rellenadas con material drenante y aisladas de las aguas de escorrentía.

En el fondo suele colocarse una tubería-dren que sirva de drenante para poder captar y transportar el agua subterránea con mayor eficiencia.

Drenes californianos

Los drenes californianos también llamados subdrenes de penetración.

El sistema se basa en colocar una tubería perforada en el suelo mediante una excavación profunda subhorizontal o ligeramente inclinada, desde un 5% a 20 % de inclinación referente a la pendiente de inicio, con la cual se busca disminuir la altura del nivel freático e incrementar la estabilidad del talud hasta el valor de diseño deseado.

Galerías o túneles de drenaje

Son túneles subhorizontales excavados en el terreno que cuentan de dispositivos de captación y evacuación de aguas subterráneas.

Tienen como objetivo disipar altas presiones de poros y disminuir el nivel freático. Resulta un método poco frecuente debido a su elevado coste y a que su éxito reside netamente en la estructura geológica del terreno y el comportamiento hidrogeológico del mismo, aun así, es recomendado para estabilizar grandes deslizamientos si las condiciones lo permiten.

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