UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARIA DEPARTAMENTO DE OBRAS CIVILES
PERFORACION MANUAL DE POZOS PROFUNDOS USANDO
EL METODO EMAS-AYNI
Memoria de titulación presentado por DANILO ALEJANDRO TAPIA REED
Como requisito parcial para optar al título de
CONSTRUCTOR CIVIL
Profesor Guía
LUDWIG STOWHAS BORGUETTI
Mis agradecimientos a:
• A la Ilustre Municipalidad de Chanco, especialmente a su Director de Obras Arquitecto Eduardo Poblete Aedo, a los funcionarios de la Dirección de Obras y a los profesionales de Servicio País de la comuna, por la fe puesta en mi en los comienzos de este proyecto, la cual me motivo a adentrarme mas en el tema y por la ayuda prestada para interiorizarme en las necesidades de la ruralidad.
• Al Sr. Wolfang Eloy Buchner, por su apoyo desinteresado al acogerme durante mi estadia en Bolivia en la Escuela Móvil de Aguas y Saneamiento, durante la cual me permitió conocer en detalle y aprender sobre los diversos métodos EMAS para saneamiento básico, especialmente la perforación que da nombre a este trabajo.
La lucha de Eloy a través de los años por ayudar a superar la pobreza rural es un ejemplo digno de seguir, el cual agradezco profundamente.
• Al Profesor Ludwig Stowhas Borguetti, por haberme dado en forma ejemplar los primeros conocimientos en el área hidráulica, piedra fundamental que me ayudo con posterioridad a desarrollar mi práctica y mi memoria de titulo en este tema, dentro del cual considero fue el mejor guía que pude tener.
• A las Terapeutas Ocupacionales Paula Rojas Cataldo y Alejandra Pezoa Ahumada, por la colaboración prestada en las mejoras al sistema en relación a la salud ocupacional del sistema EMAS como parte de esta memoria.
DEDICATORIA
A mis padres Enrique y Verónica y a mi hermano Sebastián, quienes con sus luchas y dedicación constante para lograr sus sueños, han sido el mejor ejemplo que pude tener para lograr los míos.
A José, Jean Pierre, Pereira, Víctor, Soto, Aurora, Milton, Rodolfo, Valeska, Lindsay y tantos otros compañeros y colegas, con los cuales luchamos codo a codo, sufrimos, triunfamos y muchas veces me levantaron del suelo y me ayudaron a llegar hasta el lugar desde donde escribo estas palabras.
A Luis, Rommy, Roberto, Paula, Carlos, Juan Francisco, Marco, Nano, Gonzalo, Rafael y tantos más que a mi lado o a la distancia me han acompañado en el largo proceso de llegar a esta meta.
Y finalmente, quiero dedicar este trabajo a todos los hombres y mujeres que de forma desinteresada y la mayoría de las veces dejando de lado el bienestar económico, salud y fuerzas, luchan día a día por hacer de este mundo un lugar mejor para todos.
Belloto Sur Noviembre 2008
CONSTRUCCION MANUAL DE POZOS PROFUNDOS USANDO EL METODO EMAS-AYNI I. INDICE DE CONTENIDOS
Tema Página
I. INDICE DE CONTENIDOS 4
II. INDICE DE TABLAS 5
III. INDICE DE LAMINAS 5
1. INTRODUCCION 8
1.1. ANTECEDENTES HISTORICOS 8
1.2. ANTECEDENTES SANITARIOS 8
1.3. SITUACION ACTUAL EN CHILE 8
1.3.1. COBERTURA ACTUAL 8
1.3.2. PROGRAMA NACIONAL DE AGUA POTABLE RURAL 9 1.4. ALTERNATIVAS DE ABASTECIMIENTO 10 1.5. OBJETIVOS 11 1.6. PLAN DE TRABAJO 11 2. CONSTRUCCION DE POZOS 13 2.1. TECNOLOGIAS TRADICIONALES 13 2.1.1. Pozo Excavado 13 2.1.2. Pozo Barrenado 14 2.1.3. Pozo Clavado 15 2.1.4. Pozo a Chorro 16 2.1.5. Pozo Perforado 17
2.1.6. Perforación por Percusión 18
2.1.7. Perforación por Rotación 23
2.1.8. Perforación por Rotopercusión 26
2.2. TECNOLOGIAS ALTERNATIVAS 28
2.2.1. Sistema de Perforación EMAS-AYNI 28
2.2.2. Sistema de Perforación Baptist 34
2.2.3. Sistema Rota-Sludge 36
2.2.4. Sistema Stonne Hammer 37
3. ASPECTOS LEGALES Y ADMINISTRATIVOS REFERENTES AL
SISTEMA EMAS/AYNI 38 3.1. DERECHOS DE APROVECHAMIENTO 38 3.2. AUTORIZACION SANITARIA 39 3.3. PROCESO DE CONSTRUCCION 40 3.3.1. Contrato de Construcción 42 3.3.2. Permisos de Construcción 43
3.3.3. Contratación de Mano de Obra 44
3.3.4. Medidas de Seguridad y Salud Ocupacional 45
4. MEJORAMIENTO DEL SISTEMA 47 4.1. Sistema Mecánico de Levante para la Percusión 47
4.2. Brocas 48
4.2.1. Tipos de Brocas 48
4.2.1.1. Brocas Usuales en el Método EMAS 48
4.2.2. Problemas Usuales 51
4.2.3. Soluciones 53
4.2.3.1. Brocas Forjadas 53
4.2.3.2. Brocas de Aceros Especiales e Insertos 53 4.2.3.3. Adaptación de Brocas Mecanizadas 54
4.3. Sistema Captante y de Filtración 56
4.4. Bomba de Lodos 58
4.5. Bombas 61
4.5.1. Bomba EMAS FLEXI 61
4.5.2. Bombas Eléctricas 64
4.5.2.1. Bombas centrifugas de Superficie 64 4.5.2.2. Bombas centrifugas de Aspiración profunda
o bombas de Chorro 64
4.5.2.3. Bombas centrifugas sumergibles 66 4.5.3. Sistema de pistón para bomba manual 72
5. ANALISIS DE COSTOS 73
5.1. Costos de pozos con métodos tradicionales 73 5.2. Construcción de pozos con el método EMAS-AYNI 74
6. CONCLUSIONES 75
7. BIBLIOGRAFIA 77
II. INDICE DE TABLAS
Tabla Página
1. Captación de Agua para consumo según localización 9 2. Comparación entre percusión por cable y por lodos 22 3. Alturas manométricas y potencias de diversas bombas 60 4. Potencias de impulsión y costo por metro lineal de diversas Bombas 60
5. Parámetros de bombas de chorro 65
6. Parámetros de bombas de pozo profundo 67
7. Características técnicas de bombas para pozos de 2 y 3” 69 8. Características técnicas de bombas JET para pozos de 3” 70 9. Características técnicas de bombas JET para pozos de 2” 71 10. Comparación de costos por metro lineal de empresas perforistas 73
III. INDICE DE LÁMINAS
Lámina Página
1. Construcción de Pozo Excavado 13
2. Construcción de Pozo Barrenado 15
3. Construcción de un Pozo Hincado 16
4. Construcción de un Pozo a Chorro 17
5. Sistema de Perforación por Percusión 19
6. Trepano Cruciforme y de Botón 20
7. Cuchara o Válvula de Charnela 21
8. Cuchara o Válvula de Dardo 21
9. Tipos de Trépanos y Cucharas de fondo usadas en la 22 Perforación por percusión
10. Triconos 24
11. Trépanos de arrastre 25
12. Maquina para perforación por rotación adaptada con
barreno continuo 25
13. Martillos de Fondo 26
14. Diagrama de funcionamiento de un sistema de perforación
por rotopercusión con circulación directa 27
15. Croquis de funcionamiento del sistema EMAS/AYNI 29 16. Torre Vertical y torre en forma de V invertida 30 17. Manilla para perforación con circulación directa y circulación
Inversa 31
18. Broca para arcilla y para arenas gruesas y gravas 31 19. Croquis explicativo del sistema de circulación de lodos 32
20. Sistema de circulación de lodos 32
21. Croquis del funcionamiento del sistema EMAS/AYNI 33
22. Torre de perforación 33
23. Broca estándar del sistema Baptist 34
24. Broca para roca del sistema Baptist 34
25. Perforación usando el método Baptist 35
26. Perforación usando el método Baptist 35
27. Perforación con el sistema Rota Sludge 36
28. Sistema Stone Hammer 37
29. Sistema Stone Hammer 37
30. Perforación con el método AYNI 41
31. Sistema de levante alternativo manual 47
32. Sistema de levante alternativo mecánico 47
33. Broca usada en Nueva Imperial para todo tipo de suelos 48 34. Broca usada en Bolivia para diversos tipos de suelos 48
35. Variación de la broca con barreno helicoidal 49
36. Broca para suelos finos con punta de una sola pieza 49 37. Broca para suelos finos con punta hecha de insertos 49
38. Broca para suelos arenosos, recién fabricada 49
39. Broca para suelos arenosos, con tiempo de uso 50
41. Detalle de broca para pozos de 4” 50
42. Broca propuesta por la OPS 50
43. Broca usada en Nueva Imperial, con desgaste 51
44. Detalle de la broca usada en Nueva Imperial 51
45. Broca para grava (nueva) 51
46. Broca para grava (desgastada) 51
47. Broca para arenas, malograda durante la perforación 52
48. Broca concretera 54
49. Triconos 55
50. Trialetas y Tetraleta 55
51. Escariadores 55
52. Cabezas de corte 55
53. Ranurado de tubo con esmeril angular 56
54. Perforación de tubo con taladro 57
55. Bomba manual de lodos del sistema EMAS-AYNI 58
56. Bomba sumergible modelo Top Vortex 59
57. Bomba sumergible modelo MC Monocanal 59
58. Diagrama de construcción parte superior bomba EMAS 62 59. Diagrama de construcción de válvulas de pistón y de pie 62
60. Bomba manual EMAS FLEXI (en uso) 63
61. Bomba manual EMAS FLEXI (detalle) 63
62. Bomba Centrifuga de superficie de Aspiración Profunda 65 63. Diagrama de Instalación de una bomba sumergible para pozos
profundos 67
64. Diagrama de bomba Subline para pozos de 2 y 3” 70 65. Curvas características de bombas Subline para pozos de 2 y 3” 70
1. INTRODUCCION
1.1 ANTECEDENTES HISTORICOS
El agua es uno de los principales motores del desarrollo tanto social como económico, como podemos ver a través de los tiempos, cuando en los lugares con buen abastecimiento de agua comienzan a surgir, hace ya miles de años, las grandes civilizaciones como son la Mesopotámica entre los ríos Tigris y Éufrates, la Egipcia en el Nilo, la China en el rio Amarillo y otras alrededor del mundo como la Tiahuanaco en el lago Titicaca. Esto debido a que más que un buen medio de transporte (en esa época), una manifestación de una deidad o simplemente un bien estético de un pueblo, el agua es lo que muchos llaman “el elemento que da la vida” debido a que desde el momento en que el hombre primitivo se convirtió de nómade a sedentario, necesitó del agua no solo para beber, sino que también para alimentar a sus animales y regar sus cultivos.
1.2 ANTECEDENTES SANITARIOS
Hoy en día la situación no ha cambiado mucho. Aun observamos el gran problema que representa el no tener buen acceso al agua potable, ya no solo por el factor productivo agropecuario, sino que también por el aspecto sanitario negativo que representa la falta de acceso a agua potable, especialmente debido al desarrollo de enfermedades producto de la contaminación del agua la cual, al estar estancada para su consumo o simplemente por la contaminación que sufren sus casi siempre rústicas fuentes de captación producto de la mala disposición de la excretas, es un medio de incubación ideal para la enfermedades entéricas como Hepatitis A, Cólera y Fiebre Tifoidea, entre otras.
1.3SITUACION ACTUAL EN CHILE 1.3.1 COBERTURA ACTUAL
Según datos del último Censo de población y Vivienda del año 2002, existen en Chile 3.899.448 viviendas, de las cuales alrededor de un 9% (350.590 viviendas) no tienen acceso a las redes públicas de Agua Potable de las diversas empresas concesionarias de servicios sanitarios ni de los servicios de Agua Potable Rural (APR) existentes, debiendo suplir sus necesidades básicas de agua mediante el uso de Pozos Excavados (Norias), Pozos Profundos, Ríos, Esteros y Vertientes.
Al observar los datos censales podemos ver además que el 88% de estas viviendas están en sectores rurales (sean estos localidades Concentradas, Semiconcentradas o Dispersas).
Considerando además el elevado costo que tienen los sistemas tradicionales de obtención de agua potable como pozos profundos (más de $100.000 por metro lineal de perforación) y la imposibilidad técnica de contar con sistemas más económicos como captación de vertientes, galerías de infiltración u
otros, tenemos que la única solución para contar con agua de cañería serian los sistemas de APR financiados por la Dirección de Obras Hidráulicas del Ministerio de Obras Publicas (DOH).
Tabla 1. Captación de Agua para consumo según Localización. Fuente: Elaboración Propia en base a información de Censo 2002. 1.3.2 PROGRAMA NACIONAL DE AGUA POTABLE RURAL
Los sistemas de APR, desde su nacimiento en el año 1964, con el Primer Programa de Instalación de Servicios de Agua Potable en Localidades Concentradas, han buscado satisfacer las necesidades, en primera medida, de las localidades denominadas como Concentradas, definidas por el MOP como localidad rurales con entre 150 y 3000 habitantes y un mínimo de 15 casas por kilometro de camino o cañería recorridos, para recién en la década del 90, después de alcanzar más del 95% de cobertura de las localidades concentradas, proceder a financiar proyectos para las localidades Semiconcentradas (entre 80 y 150 personas y 8 casas por km), localidades Dispersas (menos de 80 habitantes) y los proyectos de ampliación de cobertura de los sistemas existentes. La postulación de estos proyectos contempla un riguroso y engorroso proceso de evaluación que puede demorar varios años, entre la postulación, adjudicación y realización del estudio de Factibilidad Hidrogeológica, luego un procedimiento similar para postular al Diseño del sistema y finalmente la postulación a la Construcción del mismo. Dentro de este contexto, al observar la naturaleza de los proyectos financiados los últimos años y las perspectivas futuras del programa APR manifestadas en memorias anuales, libros afines editados por el MOP, comunicados oficiales y extraoficiales, tenemos que hoy en día, con casi el 100% de la población Rural Concentrada con cobertura, los proyectos, al margen de los indicadores económicos como la Tasa Interna de Retorno (el MOP exige TIR>12% para estos proyectos) o similares exigidos en el proceso de evaluación, la prioridad de asignación de fondos la constituyen en primer término el Mejoramiento y Ampliación de los sistemas existentes, en segundo término el desarrollo de sistemas para localidades Semiconcentradas y en ultima prioridad, debido a los altos costos involucrados y a la poca gente que beneficia, los sistemas para localidades rurales dispersas.
Luego de considerar todos los factores antes mencionados, se observa que queda un porcentaje de la población rural bastante grande sin ningún tipo de ayuda en lo que respecta a la solución del problema de falta de agua potable,
N° Viviendas
Categorías Casos Urbanos Casos Rurales Total
Red pública (Cía. Agua
Potable) 3317114 231744 3548858
Pozo o noria 23317 204659 227976
Río, vertiente, estero 19302 103312 122614
debiendo en la actualidad dejar sus sueños de bienestar vegetando por varios años entre una oficina de proyectos municipales y una serie de instituciones públicas para su evaluación, con todo el riesgo sanitario, social y el costo de oportunidad económico que representa para un país en vías de desarrollo como es el nuestro.
1.4 ALTERNATIVAS DE ABASTECIMIENTO
Dentro de todo este contexto, surge como única solución posible el uso de métodos alternativos de obtención de agua apta para consumo (no necesariamente potable, como se verá posteriormente) cuyas principales trabas, además de los aspectos técnicos propios de toda tecnología de bajo costo, están en el proceso de financiamiento de estas soluciones, las cuales al no ser el tradicional sistema de APR, deben financiarse por medios alternativos como fondos del Instituto de Desarrollo Agropecuario (INDAP), programas especiales para comunidades indígenas (Araucanía Tierra Viva, Orígenes, etc.), programas de la Organización Mundial de la Salud (OMS) o simplemente financiamiento propio. Muchos de estos proyectos, especialmente los financiados por el INDAP están enfocados no solo a la obtención de agua para consumo humano, sino también para el desarrollo de actividades productivas de tipo Agropecuarias.
Además, la experiencia técnica ha demostrado que, salvo situaciones excepcionales, los pozos profundos han sido una de las alternativas más limpias y eficientes de obras de captación de agua limpia apta para consumo humano, muy por sobre otras alternativas como las Captaciones de Vertientes, debido a la poca confiabilidad de estas en el tiempo, o las captaciones por Drenes, las cuales suelen tener problemas debido a la susceptibilidad a la sequia que presentan producto del tipo de fuente que tiene (napa freática).
En este contexto, en el año 2002, la Organización Mundial de la Salud realizó, en la comuna de Nueva Imperial, Región de la Araucanía, la inclusión a pequeña escala del sistema de perforación manual de pozos profundos conocido como AYNI; denominado de esa forma por palabra Quechua que significa Cooperación (el equivalente a la “Minga” en Mapudungun). Posterior a lo cual, con el desarrollo de 3 proyectos de construcción de pozos en la misma comuna (variando la forma de financiamiento y la modalidad de contrato de construcción), a cargo de la Dirección de Desarrollo Económico de la Municipalidad de Nueva Imperial, se validó el sistema como una solución posible para los problemas de cobertura de agua de consumo, debido principalmente a los bajos costos en comparación a los sistemas mecanizados. Este proceso, el cual se extiende hasta el día de hoy, ha logrado además de la perforación de más de 100 pozos, la formación de más de 50 maestros perforistas en forma directa por parte de maestros perforistas extranjeros (sin contar los formados después por ellos mismos) y el uso del sistema a nivel comercial por parte de privados (MULTIEQUIPOS TEMUCO Ltda.). Por otro lado, todo este proceso no ha servido para desarrollar la experticia técnica necesaria para poder llevar el sistema a otros lugares del país con necesidades similares (como es lo que se pretende en la
actualidad el caso de la comuna de Chanco, Región del Maule) y desarrollar las mejoras técnicas que permitan hacer de este sistema un elemento que permita proporcionar una fuente de agua limpia, permanente y a bajo costo, no solo en el ámbito de las localidades rurales pobres, sino en todo el amplio campo de aplicación que tiene la captación de agua subterránea, siendo este el objetivo principal de esta memoria.
Además, este método es una opción bastante buena para obtener agua limpia en situaciones no solo de abastecimiento permanente, sino que también es aplicable en caso de emergencias como terremotos, en los cuales es común que resulten dañadas las redes de agua potable y al demorar su reparación varios días, suele hacerse necesaria una fuente de agua limpia, de construcción rápida y barata. En este aspecto el sistema demostró su eficacia al ser probado con éxito en el Terremoto de Aiquile y Cochabamba en Bolivia el año 1998, en donde sólo quedaron en funcionamiento el 35% de las conexiones de Agua Potable, por lo que la OPS coordinó la construcción de varios pozos en la zona afectada, siendo el primero de ellos el que suplía de agua al hospital de la localidad de Totora, que con una profundidad de 70 m, se construyó en solo 1 día y luego de instalarle un compresor de aire (que funciono como bomba) y un estanque de abastecimiento, alimentó diversas piletas de la localidad hasta que se restableció el servicio de la red. Debido a estas mismas características es que este sistema puede ser una opción ideal para el suministro de agua en Campamentos de emergencia, Instalaciones de Faenas en obras en zonas rurales, campamentos militares, etc.
1.5 OBJETIVOS
El objetivo global de esta memoria es la validación del método de perforación manual de pozos profundos AYNI como alternativa de solución para los graves problemas de cobertura de agua potable que presentan los sectores rurales semiconcentrados y dispersos del país, evaluando sus características técnicas y haciendo un análisis comparativo respecto a otras soluciones más usuales para estos problemas, además de evaluar la factibilidad técnica y económica de incorporar mejoras sustanciales, especialmente en lo que se refiere a la mecanización de los componentes usados, con tal de enfocar el uso del método constructivo no sólo a comunidades (tal como se refiere la palabra quechua AYNI) sino también a pequeñas cuadrillas de operadores con un equipamiento electromecánico relativamente barato.
1.6PLAN DE TRABAJO
Teniendo en cuenta los objetivos del estudio, se realizaron los siguientes procedimientos:
• Análisis las diversas ventajas y desventajas técnicas del método AYNI, dando especial énfasis en la mecanización del sistema.
• Evaluación económica de las posibles soluciones.
• Análisis del sistema de trabajo del método (el AYNI), estableciendo la forma más conveniente de uso del respecto del tipo de contrato de construcción y el régimen de mano de obra.
• Evaluación de las soluciones alternativas al método AYNI, pasando por abastecimiento con camiones aljibe, pozos profundos mecanizados y otros métodos de perforación manual de pozos profundos.
• Estudio de la normativa técnica referente a este sistema y el producto del mismo, sean referentes a la captación, a la construcción o al agua producida (NCh 777, NCh 409, DS90, DS 595, etc.).
2. CONSTRUCCION DE POZOS
2.1TECNOLOGIAS TRADICIONALES DE CONSTRUCCION DE POZOS
Un pozo es por definición una perforación hecha en el terreno natural con el fin de obtener un fluido mineral, en este caso agua, desde un estrato acuífero subterráneo.
Los pozos se clasifican en cinco tipos de acuerdo con el método de
construcción, cada uno con sus ventajas y desventajas en cuanto a facilidad de construcción, capacidad de almacenamiento y gasto del acuífero, tipo de formación susceptible de atravesar y facilidad de protección contra la contaminación.
2.1.1 Pozo excavado (Noria o Pozo Somero): Aquel que se construye por medio de picos, palas, etc. generalmente de forma manual, con el consiguiente riesgo para los operarios en su interior debido a los derrumbes o a los riesgos de asfixia producto del funcionamiento de bombas para trabajar en seco en su interior. Dependiendo del terreno pueden requerir entibaciones o entubado a medida que se excava, como es el caso de los pozos con recubrimiento de tubos de hormigón armado, los cuales son hincados en el terreno y a medida que se excava bajo ellos son bajados por su propio peso, teniendo siempre protección los operarios.
Estos pozos son de poca profundidad y se usan principalmente donde el nivel freático se encuentra muy cercano a la superficie.
Su principal ventaja es que pueden construirse con herramientas manuales. Además su gran diámetro proporciona una considerable reserva de agua dentro del pozo mismo. Suelen ser de grandes diámetros, desde 60 cm (para poder entubar con tubos de hormigón para cámaras de inspección sanitaria) hasta 4 o 6 metros (en el caso de napas de bajo rendimiento) lo que les da grandes superficies de contacto con el acuífero, que los hace ideales para grandes gastos.
Su principal desventaja es que debido a su poca profundidad (generalmente de 6 a 18 metros dependiendo del tipo de suelo) generalmente solo obtienen agua de las capas acuíferas superiores, por lo que son muy sensibles de perder efectividad en la estación seca o en años de sequia. Además, debido a su gran superficie y perímetro en contacto con el acuífero y la cercanía de este con la superficie, son muy susceptibles de contaminación por materias que caen en su interior acarreadas por el viento, derrames de líquidos superficiales y filtraciones en sistemas de alcantarillado y letrinas.
2.1.2 Pozo Barrenado (o Taladrado): Aquel en que la excavación se hace por medio de barras sucesivas en cuya parte inferior tiene un recipiente con cuchillas en su cabeza, el cual se hace rotar en forma manual (en caso de terrenos no consolidados como sedimentos aluviales) o impulsado por fuerza motriz. Este se va enterrando en el suelo hasta que ya está totalmente lleno de material, luego de lo cual debe retirarse por completo para realizar el vaciado del material, lo cual dificulta su uso para grandes profundidades.
Los diámetros con que se puede usar este método son variables pero nunca mayores a algunas decenas de centímetros, debido a la gran cantidad de fuerza que habría que aplicar para rotar y luego subir el barreno. Este último aspecto es el que lo hace poco útil para grandes profundidades, debido a lo engorroso que resulta el retirar todas las barras de soporte cada vez que hay que vaciar el recipiente.
Las formaciones más apropiadas para usar este método son los sedimentos glaciales y los depósitos aluviales. Estos últimos presentan la dificultad de que en caso de encontrarse piedras (bolones) debe cambiarse la cabeza cortante del barreno por una que permita la extracción del posible bolón, luego de lo cual podrá seguirse con la punta normal. Además de los bolones, estas formaciones son muy susceptibles a derrumbes, lo cual puede ser solucionado entubando al mismo tiempo que se perfora.
La forma más conocida de este método es la Pala Arenera o Pala Vizcacha, usada generalmente para la excavación en terrenos arenosos.
Existe una variable de este método que en vez de un recipiente en el fondo usa una barra helicoidal continua, la cual permite un flujo del material suelto hacia el exterior. Esta variable presenta el problema de que,
además de la gran cantidad de fuerza empleada para mover la broca, sirve solo para estratos arcillosos o sedimentos secos ya que para arenas saturadas el flujo de material se detiene debido al empuje del material. En este caso la única opción es empujar la tubería a través del pozo y una vez que llegue al estrato saturado empujarla lo más posible dentro de él.
Lamina 2. Construcción de Pozo Barrenado. A la derecha se Observa una broca comúnmente usada. Fuente: Lifewater Internacional.
2.1.3 Pozo Clavado (Hincado): Aquel que se construye clavando, mediante el uso de mecanismo de percusión similar usado para hincar pilotes prefabricados, el sistema correspondiente al encamisado del pozo profundo, incluyendo el sistema de rejillas para infiltración del agua del acuífero y contando además con una punta en su parte inferior para permitir una mejor penetración en el terreno. Este conjunto (y el pozo mismo) alcanzan como máximo diámetros de 4”.
Este sistema no es muy recomendable en arcillas secas (debido a su gran dureza) ni en arenas finas saturadas (debido a la gran resistencia que presentan a la penetración) ni en lugares donde la napa a alcanzar está a profundidades mayores a 15 o 20 metros, debido a lo laborioso que resulta el hincamiento del sistema hasta tales profundidades.
Lamina 3. Construcción de un Pozo Hincado. Fuente: Lifewater International
Además, este método presenta la desventaja de que, debido al choque con el suelo durante el proceso, la capacidad estructural del conjunto encamisado-punta-rejilla debe ser bastante grande para evitar el colapso de la misma durante el hincado, unido al hecho de que debido al roce lateral del conjunto con el suelo, la interfase con el acuífero suele estar muy densificada, disminuyendo la eficiencia de la captación.
2.1.4 Pozo a Chorro: Aquel en que la excavación se hace mediante un chorro de agua a alta presión el cual al impactar con el suelo va disgregándolo, luego de lo cual el flujo de agua ascendente lleva estos sedimentos haciéndolos rebalsar fuera del pozo.
Debido a las grandes cantidades de agua necesarias para usar este método (hasta 150 litros por metro en caso de arenas) y las grandes presiones que esta debe alcanzar (3 [atm] ≈ 31 [mca]) este método requiere de maquinarias especiales y de abastecimiento de grandes cantidades de agua, lo que hace necesario el uso de camiones aljibe.
El uso de este sistema está restringido únicamente a suelos poco cohesivos como arenas o gravas pequeñas, siendo más difícil perforar en arcillas e inútil en el caso de presentarse gravas grandes o terrenos rocosos.
Pese a todas estas desventajas, este método puede ser ocupado en conjunto con el hincado de la tubería, cuya acción va ayudando a disgregar el material permitiendo mayores resultados. También usado en su forma original es ideal para la instalación de punteras de agotamiento de napas freáticas para permitir la construcción en seco de fundaciones, debido a la poca profundidad a la que se utilizan y los terrenos en los cuales suelen usarse.
Lamina 4. Construcción de un Pozo a Chorro. Fuente: Lifewater International
2.1.5 Pozo perforado: La excavación se hace mediante sistemas de percusión o rotación. El material cortado se extrae del hueco con un achicador, mediante presión hidráulica, o con alguna herramienta hueca de perforar, etc. Pueden además combinarse estos 2 sistemas en diversas formas, detalle que se abordara más adelante debido a la complejidad e importancia que presenta para el desarrollo de este trabajo.
Además de estos sistemas, en los últimos años se han desarrollado nuevos métodos de perforación para pozos profundos, los cuales debido a sus grandes costos y al tipo de terreno que atacan (principalmente rocas o formaciones minerales de gran dureza) son usados en la construcción de pozos para agua solo para abastecimiento de grandes poblaciones y en faenas de construcción de pozos petroleros.
Métodos basados en Tensiones inducidas Mecánicamente
• Perforación con turbina: Se utiliza una turbina de acción simple que hace girar una rueda cortante con caras diamantadas a una velocidad de 5.000 a 10.000 rpm en el fondo de la perforación.
• Perforación con Perdigones: Se arrojan a gran velocidad pequeñas bolas de acero, las cuales se van recuperando junto con extraer el material con un flujo de aire a gran presión.
• Perforación a Implosión: Este sistema produce implosiones bombeando capsulas esféricas herméticamente cerradas al fondo de la perforación y rompiéndolas contra la roca mediante impacto u otros sistemas.
• Perforación con Chispas: La producción de Chispas de Alto Voltaje produce pulsaciones de alta presión capaces de romper y perforar las rocas.
• Perforación electrohidráulica: Las pulsaciones de alta presión producidas por la descarga de chispas subacuáticas producen la rotura de las rocas.
• Perforación con Explosivos: Consiste en dejar caer capsulas explosivas en el sondeo a razón de 3 a 12 por minuto.
• Perforadoras por Erosión: Chorros de Agua a presión muy alta pueden perforar las rocas más duras sin utilizar abrasivos en el chorro.
• Perforadoras ultrasónicas: Las perforadoras ultrasónicas utilizan núcleos magneto-estrictivos o electro-estrictivos que emiten vibraciones para perforar la roca.
Métodos basados en Tensiones inducidas Térmicamente
• Perforación de Dardo: Este sistema utiliza una llama de oxigeno y fuel-oil que se calienta y quebranta la roca.
• Perforadoras de llama dirigida: Similar al anterior exceptuando que se usa Acido Nítrico en vez de Oxigeno.
• Perforación de Ciclo Térmico: Se produce el quiebre de la roca usando ciclos periódicos de frio y calor.
• Perforación mediante Microondas: Se aplica un golpe de calor seguido de una aplicación de microondas, lo que quiebra la roca.
Métodos mediante Fusión y Vaporización
• Perforación por Fusión Eléctrica: Se calienta la punta del trépano penetrante mediante una resistencia eléctrica de alambre de Tungsteno o Iridio.
• Perforación Nuclear: Mediante Fusión nuclear se producen temperaturas capaces de fundir el material del suelo.
• Perforación con Plasma: Esta basado en la producción de llamas ionizadas mediante generadores de plasma, que alcanzan temperaturas del orden de 20.000 °C capaces de fundir la roca.
• Perforación Química: Se utiliza flúor y otros reactivos químicos que producen reacciones de alta velocidad que corroen la roca.
2.1.6 Perforación por percusión
En este sistema de perforación la acción de perforar se lleva a cabo a través de un cable de acero que levanta y deja caer un pesado conjunto de herramientas dentro del agujero que se va abriendo (por eso es conocida también como perforación por Cable). El martillo de fondo o trépano que se encuentra ubicado en la parte inferior del conjunto de herramientas fractura la roca y el material granular, convirtiéndolos en pequeños fragmentos, los cuales pueden ser extraídos mediante cucharas o mediante un sistema de circulación de lodos de perforación desde el fondo hasta la superficie. Este sistema
normalmente es mecanizado, aunque por la simplicidad de su principio de funcionamiento, ha sido implementado en forma manual a través de la historia, teniéndose antecedentes de pozos de este tipo en la antigua civilización Mesopotámica (aproximadamente hacia el siglo XII a.c.) y China (siglo X d.c.) además de los métodos manuales más modernos que serán descritos más adelante.
En caso de no usar lodos de perforación, cuando se atraviesan formaciones suaves no consolidadas al perforar, es necesario hincar una tubería de revestimiento que permita mantener estables las paredes del sondaje durante todo el proceso, para evitar así derrumbes. Además, este sistema tiene múltiples variables dependiendo de la cuchara de fondo o trépano que se use para la extracción del lodo de perforación mezclado con restos de material del suelo, el cual puede ser una cuchara acondicionada para extracción (el caso de las cucharas o válvulas de charnela o de dardo mostradas en las imágenes a continuación), lo que implica tener que periódicamente retirar todo el sistema de perforación para vaciar dichas cucharas, o simplemente para la rotura del material (en el caso del trépano) en cuyo caso se usa un sistema de extracción por circulación de lodos y el cable del sistema es reemplazado por un sistema de tuberías por el cual circulan dichos lodos.
Este método de perforación consta comúnmente de las siguientes partes:
• Mástil o Torre: En los sistemas mecanizados generalmente son de tipo telescópico y viene en dos tramos de 36 pies cuando está extendida y 22 pies cuando está recogida, con sus respectivos dispositivos de extensión. El largo de la torre está en función de la elevación requerida al dejar caer el sistema de tubos de perforación con el martillo de fondo.
• Barras de Perforación o Cable: Son las que unen el martillo o cuchara de fondo con el sistema de levante.
• Sistema de Levante: Normalmente formado de un Cable o Cuerda unido a una polea en la parte superior de la torre que levanta el sistema de tuberías o el conjunto cable-cuchara. Es jalado mediante fuerza humana (en el caso manual) o mediante un sistema motorizado incorporado al tren de rodaje del sistema (en el caso mecanizado).
• Sistema de Circulación del Lodo de Perforación: Un sistema de bombeo que hace que el lodo circule a través del pozo, permitiendo mantener la estabilidad de las paredes y refrigerar la cuchara de fondo. Este lodo baja por los lados de las barras de perforación y luego de mezclarse en el fondo con el material triturado, es conducido al interior de la cuchara de fondo o trépano, desde donde es llevado a la superficie. Dicho sistema de circulación puede también funcionar de forma inversa, es decir, con el lodo bajando por los lados y subiendo por dentro de las barras.
• Cuchara de Fondo o Trépano: Esta situado a continuación de las barras de perforación. Es la parte más importante del sistema, dado que de ella depende la forma de extracción de los restos de suelo (extracción de la cuchara completa o circulación de lodo de perforación) y la velocidad de avance. Básicamente se pueden distinguir 3 tipos:
• Trépano: Es básicamente un martillo de acero, generalmente diamantado o endurecido con tungsteno, cuya única función es triturar el material del fondo con el impacto vertical. Luego de esto el material se mezcla con el lodo de perforación y es absorbido por una válvula situada en la parte superior del trépano, desde donde, por un sistema de bombeo, es llevado a la superficie en forma continua a través de los tubos de perforación.
Lamina 6. Trépano Cruciforme y de Botón (con insertos de Carburos). Fuente www.agua.uji.es
• Cuchara de Charnela: Cumple funciones similares al Trépano pero con una efectividad menor, debido a que debe conservar cierta estabilidad estructural que le permita almacenar el material destrozado mezclado con agua o barro de perforación en su interior. La entrada del material se realiza mediante una compuerta en su parte inferior, que es abierta al realizarse el impacto de la cuchara y cerrada al levantarse ésta. Tiene el inconveniente de que para retirar el material debe retirarse todo el sistema de barras en la parte superior, lo que hace mas demoroso este sistema.
Lamina 7. Cuchara o Válvula de Charnela. Fuente www.agua.uji.es
• Cuchara de Dardo: Similar en funcionamiento a la cuchara de Charnela, pero con la ventaja de que el material entra por los lados de la compuerta del fondo (la cual se mueve completamente en forma vertical, a diferencia de la de Charnela que mantenía un extremo fijo) lo que hace que puede tener un mayor peso con la consiguiente ventaja de que puede tener más peso y estar dotada de un martillo similar a los trépanos, lo que le permite mayor efectividad en la rotura del material del suelo.
Lamina 9. Tipos de Trépanos y Cucharas de fondo usadas en la perforación por percusión. Fuente: www.agua.uji.es
Estos trépanos y cucharas pueden alcanzar hasta 6 metros de largo y 50” de diámetro en los casos mecanizados.
A continuación se observa un cuadro comparativo de las dos variables de la perforación por percusión.
Percusión por Cable Percusión con Lodos de Perforación
Facilidad de
implementación y Mantenimiento
Buena, debido al bajo costo y simplicidad de funcionamiento.
Media, debido a que los costos son mayores y debe agregarse un sistema de circulación de lodos.
Tipo de suelos en que
se aplica Todos, especialmente los duros.
Ídem. Extracción de
Muestras para detección del acuífero
Buena, dado que el contenido de agua no es alterado, permitiendo buena detección del acuífero.
Mala, dado que el material obtenido está mezclado con el lodo de perforación, alterándose su contenido de finos y humedad.
Entubamiento
simultaneo a la perforación
Necesario solo en algunos tipos de formaciones.
Innecesario ya que el lodo de perforación estabiliza las paredes del pozo.
Retiro de material
desde el fondo Lento, debido a que se debe retirar todo el mecanismo de perforación y vaciarlo.
Rápido, debido a que es un proceso continúo y simultaneo a la perforación. Tabla 2. Comparación entre percusión por cable y percusión con lodos. Fuente:
2.1.7 Perforación por rotación
Este método consiste en horadar un agujero mediante la acción de un trépano en la parte inferior de una tubería y remover los fragmentos que se producen con un fluido que circula en forma continua conforme el trépano penetra los materiales de la formación.
En este método la perforación se realiza mediante un sistema de tuberías con una broca en su parte inferior la cual al rotar por la fuerza hidráulica dada al sistema, va rompiendo el terreno. El retiro del material se realiza mediante la circulación de lodos de perforación hechos de arcilla con agua (idealmente arcilla bentonitica), existiendo una variable de este sistema que usa aire comprimido como fluido para retiro del material, la cual será descrita más adelante.
El fluido de perforación (aire o lodo) puede hacer el retiro de material de 2 formas:
• Circulación Directa: En este método el fluido circula impulsado por una bomba por el interior de las tuberías de perforación hasta llegar al fondo del pozo, fluyendo luego hacia arriba por el espacio entre el tubo y las paredes del pozo, logrando de esta forma arrastrar los sedimentos de la perforación hacia el exterior del pozo por rebalse, enfriar la broca permitiendo una perforación continua y además, al penetrar la arcilla en las paredes del pozo, permite darles mayor estabilidad, impidiendo derrumbes del mismo, con el efecto contrario de que una vez terminado el pozo habrá que retirar esta arcilla en un proceso de desarrollo del pozo ya construido.
• Circulación Inversa: En el caso de que los sedimentos sean de mayor tamaño y peso (como es el caso de la perforación rotatoria en gravas o rocas) estos no pueden ser arrastrados hacia arriba por circulación directa, debiendo ser retirados a presión por una bomba instalada en la parte superior de las tuberías de perforación. Por este motivo la circulación se hace cayendo el fluido por el espacio entre las tuberías y las paredes del pozo y ascendiendo por dentro de los tubos.
En ambos sistemas el lodo, luego de ser retirado del pozo, es conducido a un foso de sedimentación en donde las partículas pesadas extraídas del fondo decantan, quedando en la parte superior de la fosa para su bombeo al pozo realizándose nuevamente el ciclo.
Un equipo de perforación por rotación típico (generalmente mecánico) tiene a modo general las siguientes partes:
• Mesa de rotación: Es el mecanismo que recibe la fuerza del motor hidráulico y hace girar las barras de perforación, conocidas en los sistemas mecanizados como Kelly, cuya parte superior va en su centro.
• Sarta de Perforación: El conjunto de tuberías que se emplea para la perforación se denomina columna o sarta de perforación, y consiste en una serie de trozos tubulares interconectados entre sí mediante uniones roscadas. Este conjunto, además de transmitir sentido de rotación al trépano, ubicado en el extremo inferior de la columna, permite la circulación de los fluidos de perforación.
• Trépano: Estos tienen la función de disgregación del material durante la perforación de un pozo. Existe una amplia gama de estos y cada uno está diseñado para determinados tipos de suelo con determinadas características mecánicas y abrasivas. Los más usados son:
• Trépano de rodetes dentados: Este ejerce una acción cortante y de trituración a la vez, logrando cortar formaciones duras con gran efectividad. El más usado es el Tricono convencional, cuyos dientes son hechos con acero al Tungsteno o al Cobalto) y el Tricono de Botón, con dientes hechos de incrustaciones de carburo de tungsteno u otras aleaciones de extrema dureza. No es recomendable para suelos muy finos como arcillas o limos dado que este se adhiere al espacio entre los dientes perdiendo efectividad el tricono.
Lamina 10. Triconos. Fuente: Compañía General de sondeos S.A.
• Trépano de Arrastre: Este tiene aletas cortas a sus lados y en la parte inferior, las cuales idealmente llevan un tratamiento superficial y un filo cortante forjado para darles mayor dureza, los cuales producen una acción de corte y desgarre. Ideales para formaciones semiconsolidadas como rellenos fluviales o formaciones rocosas blandas pero inútiles en formaciones rocosas o con bolones.
Lamina 11. Trépanos de arrastre. Fuente: Compañía general de sondeos S.A.
• Coronas: Son usadas en formaciones duras (rocas) para extracción de testigos.
• Bomba de lodos: Su función principal es tomar el lodo del fondo del pozo y llevarlo hacia el exterior donde, en el caso de los lodos de perforación, se depositan primeramente en un foso de sedimentación para el depósito natural del sedimento o detritus pesado y luego el lodo limpio fluirá hacia otra foso, en donde será bombeado hacia el pozo para un nuevo ciclo. Es recomendable además incluir en el ciclo una malla para retener las partículas pesadas.
• Motor: Encargado de dar fuerza a la mesa de rotación del sistema. Generalmente va unido al chasis del camión donde va todo el equipo. Además existen diversas variaciones del sistema para su optimización, como la inclusión de un tornillo sin fin para el ascenso del lodo, el uso de diversos tipos de brocas de diversos tipos, estabilizadores, etc.
Lamina 12. Máquina para perforación por rotación adaptada con barreno continuo (tornillo sin fin). Fuente: www.Liebherr.com
Las principales ventajas de este método son su rapidez en comparación a la percusión (especialmente en los suelos detríticos), la precisión en la verticalidad que puede lograr, la versatilidad con que trabaja en los distintos tipos de suelo y los grandes diámetros (hasta 50”) y profundidades (hasta 5000 metros para prospección minera). Por otro lado los bajos rendimientos en terrenos duros debido al desgaste del trépano, la gran pérdida de lodos en terrenos fisurados o muy porosos, los grandes costos tanto del equipo como de su operación hacen de esta opción de perforación algo netamente mecanizado y con grandes costos siendo su campo de trabajo las grandes industrias como la minería (prospecciones geológicas) y la sanitaria (captaciones a gran profundidad), quedando fuera del alcance económico prácticamente cualquier otra actividad económica a menor escala.
2.1.8 Perforación por Rotopercusión
Para solucionar los problemas de bajos rendimientos del sistema de percusión y los altos costos (especialmente al trabajar en roca) del sistema de rotación, es que a mediados del siglo XX surgió esta nueva forma de perforación. Esta consiste, tal como su nombre lo indica, en un movimiento de rotación continua combinado con la percusión periódica en forma de pulsos del trépano. El trépano ocupado (martillo de fondo) gira entre 10° y 20° entre golpe y golpe.
Las primeras variaciones del método de rotación consistieron principalmente en el reemplazo del lodo de perforación por aire comprimido. Luego de esto y debido a la dificultad del trabajo de rotación en roca, se le agrego un movimiento de percusión periódica a la sarta de perforación en la parte superior de ésta, lo cual no resultó muy eficiente debido al amortiguamiento que se produce en la sarta de perforación. Finalmente y para solucionar esto se creó un trépano especial conocido como Martillo de Fondo, el cual produce un golpeteo periódico de forma independiente a la sarta de perforación, de manera que logra trabajar de mucho mejor forma en suelos rocosos sin la abrasión excesiva del trépano.
Además existen otras variantes del método de rotopercusión que constan de dos tuberías separadas para la perforación. Una de ellas (generalmente la interior) va golpeando el suelo con un trépano de percusión mientras la otra, generalmente la externa, mediante un trépano de corona (similar al usado para la extracción de testigos de rocas) va rompiendo el terreno ya debilitado por el mecanismo de percusión.
Este método a modo general es ideal para el trabajo en roca o formaciones detríticas altamente cohesionadas, no así en terrenos arenosos y arcillas blandas. Además, debido a que el lodo de circulación ha sido reemplazado por aire comprimido, en terrenos no cohesionados necesita de una entubación simultanea del pozo durante la perforación y tiene además el gran problema de que las presiones producidas por la columna de agua en el sondeo dificultan la evacuación del material de desecho, problema que se agrava más a medida que la columna de agua es mayor.
Lamina 14. Diagrama de funcionamiento de un sistema de perforación por Rotopercusión con circulación directa. Fuente: www.agua.uji.es
2.2TECNOLOGIAS ALTERNATIVAS
2.2.1 Sistema de Perforación EMAS-AYNI
Los sistemas tradicionales de perforación de pozos tienen una relación inversamente proporcional entre su eficiencia y su costo, por lo que el uso de los sistemas más avanzados estuvo en el pasado normalmente restringido a exploraciones petroleras o pozos de agua de gran diámetro para regadío o consumo de grandes comunidades o industrias. De este modo, debido a los reducidos costos de implementación, la poca mecanización y la gran cantidad de mano de obra disponible, los sistemas manuales han sido usados desde hace miles de años en la construcción de sondajes para abastecimiento de pequeñas comunidades rurales (la cuales cabrían hoy dentro de la clasificación de comunidades rurales dispersas) pese a que por la poca eficiencia de los métodos, la velocidad de construcción de estos y por ende la cantidad de pozos posibles de construir era mínima.
En este escenario es que en la década de 1980 el Técnico Superior en Infraestructura y Abastecimiento de Agua y Saneamiento alemán Sr. Wolfang Buchner, basado en las experiencias en perforación ya existentes, adaptó varios de los sistemas tradicionales ya descritos e ideó un nuevo sistema conocido actualmente con el nombre de EMAS (siglas de la Escuela Móvil de Aguas y Saneamiento creada por él para la enseñanza de técnicas de saneamiento) o AYNI (palabra Aimara cuyo significado en español es “cooperación”) para construir de forma más eficiente pozos profundos a bajo costo para el abastecimiento de las comunidades rurales dispersas de Bolivia.
El sistema EMAS consiste en la caída por percusión de un trépano (broca) que, luego de romper el suelo producto de la caída, es rotado en forma manual para desgarrar el suelo en el cual fue enterrado. Estos dos movimientos (percusión y rotación) alternados regularmente en conjunto con una circulación de lodo de perforación, de forma directa o continua, puede producir pozos de hasta 4” de diámetro y hasta 100 metros en terrenos sin bolones ni roca y a bajo costo (entre $2.000 y $5.000 el metro lineal de mano de obra dependiendo del tipo de suelo), consistiendo en una solución ideal para las comunidades dispersas. Esta solución incluye además una bomba manual hecha con tuberías de PVC en forma casera y un encamisado de PVC sanitario ranurado en la parte de la captación del acuífero.
Lamina 15. Croquis del Funcionamiento del Sistema EMAS/AYNI. Fuente: Guía RAS-007, Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, Colombia.
Algunas características del sistema a modo general son:
• Diseño y construcción: Los materiales con que se construye el equipo de perforación son de bajo costo y pueden ser adquiridos en el comercio habitual, usándose para la construcción del equipo soldadura al arco y herramientas de bajo costo.
• Operación: Completamente manual, considerando un mínimo de 3 operarios: uno encargado de dirigir y rotar el sistema de perforación, otro de mantener un bombeo constante de lodo y otro de tirar la cuerda para dar el movimiento de percusión, pudiendo este ultimo ser ayudado por mas personas conforme avanza la perforación y la sarta de perforación se vuelve más pesada.
• Mantenimiento: Mínimo, considerando básicamente solo limpieza de las partes una vez terminada la perforación y la revisión de las brocas para su reemplazo cada cierto tiempo.
• Tipos de suelo en que actúa: Suelos detríticos libres de bolones o de inclusiones rocosas debido a la poca dureza de la broca.
• Muestreo: Bueno aunque debido al lodo de perforación la cantidad de agua de las muestras no es buena.
• Ventajas: Bajo costo de implementación y operación, no es necesaria mucha capacitación a la mano de obra, poca mano de obra necesaria en comparación a otros métodos manuales, gran eficiencia en relación a otros métodos manuales respecto a la velocidad de perforación.
• Desventajas: Imposibilidad de uso en suelos duros y en pozos de diámetro sobre 4” resulta poco eficiente.
Partes del Sistema
Este sistema consiste en las siguientes partes:
• Torre: Sirve de soporte a la polea por la cual pasa el cable que levanta la sarta de perforación para su posterior caída. Es construida con acero
perfilado corriente y existen comúnmente 2 tipos, la torre vertical y la torre en forma de V invertida.
Lamina 16. Torre Vertical y torre en forma de V invertida. Fuente: Manuales OPS.
Pese a que la torre en forma de V invertida presenta una mayor estabilidad, la torre vertical permite la adaptación de una palanca en su cuerpo, la cual hace más fácil el movimiento de levante de la sarta de perforación a grandes profundidades.
Estas torres deben ir amarradas con 4 tirantes al suelo para asegurar su estabilidad durante el proceso de construcción.
• Sistema de levante: Este conjunto consiste en la cuerda con la cual se levanta la sarta de perforación, la polea por la cual pasa la cuerda y la palanca y manilla con la cual se facilita tirar la cuerda.
• Sarta de perforación: Consiste en tuberías de Acero Galvanizado unidas con hilo reforzado que se deben ir montando o desmontando conforme avanza la perforación. En su parte superior llevan la manilla para darle el movimiento de rotación al sistema y en su parte inferior el trépano. A través de ellas pasa el lodo de perforación que es inyectado o aspirado por la manilla hacia o desde el fondo del pozo.
• Manilla: Es una T de Acero Galvanizado de dimensiones suficientes para permitir un correcto agarre y un fácil torque al operario. Está conectada a la Sarta de perforación y a la manguera de inyección de lodos (en la circulación directa) y puede tener además una válvula y una manguera para la succión y expulsión de material (en la circulación inversa).
Lamina 17. Manilla para perforación con circulación directa (izquierda) y circulación inversa (derecha). Fuente: Elaboración Propia.
Al igual que con el método de rotación, el hecho de que se use circulación directa o inversa depende netamente del tipo de sedimento que se quiere expulsar y por lo tanto del tipo de suelo a perforar, teniéndose que para partículas livianas (arcillas) se usa circulación directa y para partículas más pesadas como arenas gruesas y fragmentos de gravas se usa circulación inversa.
• Broca: Trépano usado en la perforación, el cual debido principalmente a la baja calidad de los materiales con que es construido debe ir cambiando de acuerdo al tipo de suelo usado.
Lamina 18. Broca para Arcilla (izquierda) y para Arenas gruesas y gravas (derecha). Fuente: Elaboración propia.
• Sistema de impulsión de lodos: Una bomba de tipo manual que bombea el lodo de perforación desde un foso de almacenamiento a la manilla (en el caso de circulación directa) o directamente al pozo (circulación inversa) para una vez completado el circuito dentro del pozo ir a un foso de sedimentación y luego por gravedad volver al foso de almacenamiento a un nuevo ciclo.
Lamina 19. Croquis explicativo del sistema de circulacion de lodos, indicando pendientes, tamaños aproximados y posiciones. Fuente: Elaboracion Propia.
Lamina 20. Sistema de circulación de lodos. Se observa la fosa de sedimentación llena, la fosa de almacenamiento con la bomba de lodos y la manguera
Lamina 21. Croquis del Funcionamiento del Sistema EMAS/AYNI. Fuente: Agua para Todos, 6a edición. Escuela Móvil de Aguas y Saneamiento.
Lamina 22. Torre de perforación, Sarta de perforación y manilla del sistema EMAS-AYNI. Fuente: Elaboración propia.
2.2.2 Sistema de Perforación Baptist
Este método es básicamente una variación del sistema EMAS hecha por el misionero Bautista Terry Waller para su uso en Bolivia. Las modificaciones hechas consisten en lo siguiente:
• Método de Perforación: Se ha dejado de lado la alternancia percusión-rotación, concentrándose este método únicamente en la Percusión, con lo que no es necesaria la rigidez en la sarta de perforación, reemplazándose los tubos de acero galvanizado por PVC Presión Clase 16 común disminuyendo de esta forma los costos. Además, al haber un solo movimiento a realizar periódicamente, la opción de mecanizar el sistema es mucho más viable, recomendándose inclusive por los creadores del sistema, un sistema de poleas con un motor de 3 HP.
Dado que con estas modificaciones el sistema es mucho más liviano, se puede reemplazar la torre de perforación por un trípode simple y puede disminuirse el número de personas encargadas del izaje de la sarta. Además por el menos peso del sistema, el número de golpes por unidad de tiempo es mucho mayor, compensándose de esta forma la menor penetración de cada golpe.
• Circulación de Fluido de perforación: Para una mayor economía de material y simplicidad del sistema se ocupa una válvula antiretorno en la parte inferior de la sarta de perforación (sobre el trépano) provocándose un flujo de lodos igual a la circulación inversa del método EMAS. De esta forma se prescinde de la bomba de lodos, del operario de la misma y se invierte el orden de las fosas de lodos para establecer el circuito del lodo.
• Trépano: Las brocas usadas en este sistema, debido a las modificaciones ya descritas, son mucho más simples y livianas, por lo que adoptan formas distintas pero con la misma versatilidad según los distintos tipos de suelo.
Lamina 23. Broca Estándar del sistema Baptist. Usada principalmente en Arcillas y Arenas. Fuente: Water for All International.
• Manilla: La manilla usada en este sistema no tiene válvula (como sí pasaba en el método EMAS con circulación inversa) estando ésta en la parte inferior de la sarta de perforación, permitiendo de esta forma que la manilla sea menos voluminosa. Además la expulsión del lodo desde la manilla no se hace con una manguera sino con un chorro que sale de esta directamente hacia el foso de sedimentación, por lo que la manilla debe estar al momento de caer apuntando hacia el foso.
Lamina 25. Perforación usando el método Baptist. Se observa la manilla dirigida al foso de lodo y la sarta de perforación de PVC hidráulico. Fuente: Water for All International
Lamina 26. Perforación usando el método Baptist. Se observa el chorro de lodo saliendo en la parte superior. Fuente: Water for All International
2.2.3 Sistema Rota-Sludge
El sistema Hand Sludge, desarrollado hace alrededor de 40 años en el norte de la India, es básicamente un sistema de perforación por percusión manual en que el retiro del material de desecho del fondo del pozo se hace mediante un sistema de circulación inversa de fluido a través de una tubería de acero, de forma similar a los métodos explicados anteriormente.
El este sistema, el movimiento de izaje de la sarta de perforación se realiza mediante una palanca de madera cuyo extremo lleva una cadena amarrada a la parte superior de las tuberías de perforación y que se instala junto con su soporte a un lado de donde estará el pozo.
En el lado contrario del pozo, se excava el foso de sedimentación de lodos y un pequeño canal con pendiente que hará fluir el lodo ya limpio de vuelta al pozo. El ciclo de circulación del lodo de perforación se completa con una válvula instalada en la parte superior de la sarta de perforación con la cual se va expulsando el lodo con sedimentos hacia el foso a medida que se sube y baja el sistema, lo cual en su conjunto se presenta bastante similar a la circulación inversa propuesta por el método EMAS.
Lamina 27. Perforación con el sistema Rota Sludge. Se observa claramente la estructura de soporte y la palanca para el izaje, la manilla para la rotación, el foso de sedimentación y
el chorro de lodo con sedimentos. Fuente: Practica Foundation.
Tal como se observa en la imagen, la parte superior de la sarta de perforación lleva una manilla cuya misión es dotar de un movimiento de rotación al sistema. Esta variante del sistema, que incluye este movimiento de rotación, se conoce como “Rota-Sludge”, y es considerada mucho más eficiente que el método original, ya que al incluir la rotación las brocas producen mayor desgarramiento del suelo. Respecto a este último, el sistema actúa solo en formaciones de poca dureza y es inútil en caso de bolones o rocas.
2.2.4 Sistema Stone Hammer
Al igual que el Rota-Sludge, este sistema fue desarrollado en la India como un método manual de perforación por percusión y consiste a grandes rasgos en un sistema usual de percusión por cable en el cual la válvula encargada de recoger el material se queda en el fondo del mismo recibiendo los golpes de un martillo que es el encargado de realizar la percusión, el cual es levantado con un cable por los operarios del sistema. El peso total de la cuchara de fondo y el martinete que lo golpea es de alrededor de 70 kg.
Este sistema ha sido probado con éxito en suelos detríticos altamente cohesionados, bolones y formaciones rocosas de baja dureza, siendo lento en comparación a otros métodos en suelos poco cohesionados, por lo que este sistema es considerado como un complemento al Rota Sludge.
Lamina 28 y 29. Sistema Stone Hammer. A la derecha se observa la cuchara de fondo usada. Fuente: Practica Foundation.
3. ASPECTOS LEGALES Y ADMINISTRATIVOS REFERENTES AL SISTEMA EMAS/AYNI En este capítulo se abordará todo lo referente a los aspectos legales propios de la construcción y uso del sistema de pozos profundos conocido como EMAS (o AYNI), enfocado este como una solución a los problemas de consumo de agua, tanto para consumo humano como productivo, en el ámbito rural. Estos aspectos legales se refieren primero que todo, a la facultad de ocupar el agua subterránea, luego al uso de la misma para la producción o para consumo humano y por último a lo referente al proceso constructivo de los pozos, especialmente en lo que se refiere al uso de mano de obra y a los permisos afines a este tipo de construcciones.
3.1DERECHOS DE APROVECHAMIENTO
Los recursos de agua subterránea han permitido abastecer gran parte de los requerimientos asociados principalmente al desarrollo urbano e inmobiliario, al desarrollo de una agricultura intensiva orientada a la exportación y a las necesidades derivadas en el desarrollo minero exportador e industrial.
En Chile, las aguas son bienes nacionales de uso público y se otorga a los particulares el Derecho de Aprovechamiento conforme a lo descrito en el Código de Aguas, documento que posee propiedades legales conforme al DFL 1122 of.1981. Este derecho se expresa en unidad de volumen por unidad de tiempo.
Es de suma importancia la obtención de este derecho, ya que en la Constitución Política de 1980, inciso 24 del artículo 19, establece “Los derechos de los particulares sobre las aguas, reconocidos o constituidos en conformidad a la ley, otorgarán a sus titulares propiedad sobre ellos”. Al tener esta condición son susceptibles, entre otras posibilidades, de ser transados en el mercado, dejarlos en herencia, etc.
El Código de Aguas es el texto que fija los conceptos y procedimientos sobre los derechos de aprovechamiento. Además, le otorga a un organismo denominado Dirección General de Aguas (DGA) todas las atribuciones y funciones que incluye el código, las cuales son:
• Planificar el desarrollo del recurso en las fuentes naturales, con el fin de formular recomendaciones para su aprovechamiento.
• Investigar y medir el recurso.
• Constituir los derechos de aprovechamiento de aguas.
• Policía y vigilancia de las aguas.
• Dirimir todas las cuestiones relacionadas con la adquisición y ejercicio de los derechos de aprovechamiento.
Los intereses principales de los usuarios son dos, la obtención de un nuevo derecho de agua (derecho de aprovechamiento) y la protección de los derechos ya constituidos frente a eventuales o potenciales nuevos usuarios. Detalle importante a mencionar es que, según el artículo 25 del código, el
Derecho de Aprovechamiento conlleva la imposición de todas las servidumbres necesarias para hacer valer ese derecho, con lo que separa totalmente la propiedad de un terreno con el derecho de aprovechamiento del agua que pueda haber en él.
En lo que respecta al objetivo de este trabajo, el Código de Aguas, en su Titulo VI, Articulo 56, establece que “Cualquiera puede cavar en suelo propio pozos para las bebidas y usos domésticos, aunque de ello resulte menoscabarse el agua de que se alimente algún otro pozo; pero si de ello no reportare utilidad alguna, o no tanta que pueda compararse con el perjuicio ajeno, será obligado a cerrarlo”. Con eso hace innecesaria la constitución de Derechos de aprovechamiento en los casos en que los pozos sean utilizados para fines de consumo a menor escala (pocas familias desde el mismo pozo), quedando los pozos para consumo a mayor escala (condominios rurales por ejemplo) cubiertos también pero dependiendo de la interpretación que se le dé al artículo 56.
En los casos en que el pozo no sea usado únicamente para consumo domestico (como el caso de actividades agropecuarias), deberá procederse a solicitar un derecho de Aprovechamiento de aguas subterráneas, con lo cual el beneficiario, una vez construido el pozo y si es que la solicitud ha sido aprobada, podrá utilizar este recurso en forma legal. Para dar curso a esta solicitud se debe llenar una solicitud dirigida a la Dirección Regional de Aguas correspondiente, la cual llevará información como identificación completa del solicitante, el lugar donde estará la captación (con comuna, provincia y coordenadas UTM), tipo de derecho de aprovechamiento (generalmente es consuntivo y continuo, pero puede haber variaciones dependiendo del uso). Además como anexos deberán ir la copia de inscripción en el Conservador de Bienes Raíces correspondiente del predio donde está la captación, plano a escala de la ubicación de la captación, Prueba de bombeo para el caudal solicitado, con una duración de 24 horas mínimo y con un tiempo de estabilización de niveles de 180 minutos como mínimo y por último el perfil estratigráfico del pozo.
Cabe mencionar también que el proceso de inscripción suele demorar, desde la fecha de envió de la solicitud, entre 6 meses y 1 año.
3.2AUTORIZACION SANITARIA
La Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones, en su Titulo VI, Capitulo 3, Artículo 6.3.4, señala que las viviendas a ser construidas que estén emplazadas en el área rural, deberán contar como mínimo con Agua Potable y Alcantarillado. Respecto del Agua Potable señala lo siguiente:
“Agua Potable: Conexión a red pública si esta existiese. En su defecto, solución propia consistente en noria, pozo profundo o vertiente, según lo previsto en el Código Sanitario o la solución que en casos fundados autorice la autoridad de salud competente”.
