Evacuación de aguas subterráneas por bombeo en la construcción de túneles.

Desarrollar una estrategia para el diseño óptimo del sistema de bombeo en un túnel durante su construcción. Aplicar esta estrategia a la construcción de la hidroeléctrica del Río Amoyá en Chaparral, Tolima.

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Universidad de los Andes 

Facultad De Ingeniería 

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 

 
 
 

 

 

TESIS DE ESPECIALIZACIÓN 

INGENIERÍA DE SISTEMAS HÍDRICOS URBANOS 

 

 

EVACUACIÓN DE AGUAS SUBTERRÁNEAS POR BOMBEO EN  LA 

CONSTRUCCION DE TÚNELES. 

CASO HIDROELÉCTRICA AMOYÁ.

 

 
 

Preparado por: 

Ing. Ximena Portilla Yépez 

 
 

Asesor: 

Ing. Jaime Loboguerrero 

 
 

Informe Final Tesis 

 
 
 

Bogotá, 17 de Febrero de 2012 

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Universidad de los Andes 
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA 
Ecuación de aguas subterráneas por bombeo en la construcción de túneles. 
Caso Hidroeléctrica Amoyá. 

 

 

 

Ana Ximena Portilla Yépez 

TABLA DE CONTENIDO

 

INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................................................... 6

 

1

 

ANTECEDENTES Y OBJETIVOS .................................................................................................................. 7

 

1.1

 

ANTECEDENTES .......................................................................................................................................... 7

 

1.2

 

OBJETIVOS .................................................................................................................................................... 7

 

1.2.1

 

Objetivos Generales ............................................................................................................................... 7

 

1.2.2

 

Objetivos Específicos ............................................................................................................................. 7

 

2

 

ESTADO DEL ARTE ........................................................................................................................................ 8

 

2.1

 

A

SPECTOS 

H

IDROGEOLÓGICOS

 ......................................................................................................................... 8

 

2.1.1

 

Acuíferos ................................................................................................................................................ 9

 

2.1.2

 

Funciones de un Acuífero ....................................................................................................................... 9

 

2.1.3

 

Afluencia de aguas en los Túneles: Régimen hidrológico subterráneo. ................................................. 9

 

2.1.4

 

Afluencia variable del agua, según las circunstancias ........................................................................ 10

 

2.2

 

D

ISEÑO DE UNA ESTACIÓN DE BOMBEO

. ......................................................................................................... 13

 

2.2.1

 

Clasificación general de las bombas .................................................................................................... 13

 

2.2.2

 

Bombas de desplazamiento positivo ..................................................................................................... 13

 

2.2.3

 

Bombas Rotodinámicas ........................................................................................................................ 14

 

2.3

 

C

URVAS Y PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LAS BOMBAS

. ........................................................................ 15

 

2.3.1

 

Potencia y rendimiento. ........................................................................................................................ 15

 

2.4

 

D

ESCRIPCIÓN DE LA ZONA DE ESTUDIO

 ........................................................................................................... 16

 

2.4.1

 

Localización: El sector donde se llevará a cabo el estudio es en el municipio de Chaparral, al sur del 

Tolima.  16

 

2.5

 

P

ROCESO DE EXCAVACIÓN

 .............................................................................................................................. 20

 

3

 

METODOLOGÍA............................................................................................................................................. 22

 

3.1

 

D

RENAJE DEL AGUA EN EL PROCESO DE CONSTRUCCIÓN

 ................................................................................ 22

 

3.2

 

C

AUDAL A BOMBEAR

 ...................................................................................................................................... 23

 

3.3

 

P

ARÁMETROS DE DISEÑO

:

 

A

NÁLISIS DE LAS INSTALACIONES EXISTENTES

. ..................................................... 24

 

3.4

 

M

ODOS OPERANDI O 

F

RECUENCIA DE BOMBEO

 .............................................................................................. 24

 

3.5

 

T

IPOS DE BOMBAS A UTILIZAR

. ....................................................................................................................... 25

 

4

 

DATOS Y ANÁLISIS DE DATOS ................................................................................................................. 27

 

4.1

 

C

ÁLCULOS DE LA 

A

LTURA 

D

INÁMICA 

T

OTAL

. ............................................................................................... 27

 

4.2

 

P

ÉRDIDAS POR FRICCIÓN

 ................................................................................................................................. 28

 

4.3

 

F

ACTOR DE FRICCIÓN DE 

D

ARCY

 .................................................................................................................... 28

 

4.4

 

N

ÚMERO DE 

R

EYNOLDS

 ................................................................................................................................. 29

 

4.5

 

C

ÁLCULO DE VELOCIDAD

 ............................................................................................................................... 29

 

4.6

 

C

URVA CARACTERÍSTICA DE LA BOMBA Y DETERMINACIÓN DE LA CURVA DEL SISTEMA

 ............................... 30

 

4.7

 

C

ONDICIONES DE TRABAJO

: ............................................................................................................................ 31

 

4.8

 

P

RINCIPALES PROBLEMAS ASOCIADOS AL SISTEMA DE BOMBEO EN TÚNELES

. ................................................ 35

 

5

 

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .............................................................................................. 40

 

6

 

BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................................................. 42 

 

 

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Ecuación de aguas subterráneas por bombeo en la construcción de túneles. 
Caso Hidroeléctrica Amoyá. 

 

 

 

Ana Ximena Portilla Yépez 

ÍNDICE DE FIGURAS 

 

FIGURA 1. LOCALIZACIÓN GENERAL DEL PROYECTO. 

16 

FIGURA 2. CAPTACIÓN REJA DE FONDO PRESA VERTEDERO. 

17 

FIGURA 3. DESARENADOR Y TÚNEL DE CONDUCCIÓN  

17 

FIGURA 4. SECCIÓN DE TÚNEL 

17 

FIGURA 5. TÚNEL DE ACCESO A CASA DE MÁQUINAS. 

18 

FIGURA 6. CENTRAL DE MÁQUINAS 

18 

FIGURA 7. CONSTRUCCIONES INTERNAS DE LA CASA DE MÁQUINAS 

19 

FIGURA 8. BIFURCADORES 

19 

FIGURA  9.EQUIPOS  DE  PERFORACIÓN  DE  DOS  BRAZOS,  CONSTRUCCIÓN  DE  LA      

CASA DE MAQUINAS. 

21 

FIGURA 10. AGUA DE INFILTRACIÓN EN LOS TÚNELES DE AMOYÁ. 

22 

FIGURA 11. FRENTES DE PERFORACIÓN AGUAS ABAJO EN CONTRA PENDIENTE 

23 

FIGURA 12. CAUDAL A BOMBEAR DEPENDIENDO DE LA LONGITUD DEL TERRENO.  

24 

FIGURA 13. BOMBA SUMERGIBLE MAJOR   

25 

FIGURA 14. BOMBA SUMERGIBLE MASTER  

26 

FIGURA 15. BOMBA SUMERGIBLE MATADOR  

26 

FIGURA 16. CÁLCULOS DE LA ALTURA DINÁMICA TOTAL 

27 

FIGURA 17. EJEMPLO DE CURVA CARACTERÍSTICA DEL SISTEMA SOBRE A LA 

CURVA DE LA BOMBA Y EL PUNTO ÓPTIMO DE OPERACIÓN. 

30 

FIGURA 18. DAÑOS ELÉCTRICOS  

36 

FIGURA 19. ESTRANGULAMIENTO EN LA TUBERÍA DE IMPULSIÓN.  

36 

FIGURA 20. GOLPES A LA BOMBA DEL FRONTÓN DEL TÚNEL.  

37 

FIGURA 21. BOMBAS TRABAJANDO ENTERRADAS EN LODO ESPESO.  

38 

FIGURA 22. BOMBAS ENCENDIDAS SIN AGUA SUFICIENTE PARA BOMBEAR 

39 

FIGURA 23. ROCA ENCONTRADA EN UNA TUBERÍA DESPUÉS DE HABER AVANZADO 

APROXIMADAMENTE 100 M 

39 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Caso Hidroeléctrica Amoyá. 

 

 

 

Ana Ximena Portilla Yépez 

ÍNDICE DE TABLAS 

TABLA 1 .CARACTERÍSTICAS DEL FLUIDO Y DE LA BOMBA. 

 

31 

TABLA 2. LONGITUD DE LOS TRAMOS DE BOMBEO, CAUDAL ASIGNADO, DIÁMETRO DE 
TUBERÍAS. 

 

31 

TABLA 3. CÁLCULOS DE LA ALTURA DINÁMICA TOTAL. 

 

32 

TABLA 4. CURVA DEL SISTEMA EN CADA POZO DE BOMBEO (1-5 POZO) 

 

33 

TABLA 5. CURVA DEL SISTEMA EN CADA POZO DE BOMBEO (6 POZO AL FRONTÓN) 

 

34 

TABLA 6. POTENCIA DE LAS BOMBAS 

 

34 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Ecuación de aguas subterráneas por bombeo en la construcción de túneles. 
Caso Hidroeléctrica Amoyá. 

 

 

 

Ana Ximena Portilla Yépez 

ÍNDICE DE ECUACIONES 

 

ECUACIÓN 1. POTENCIA CONSUMIDA. 

15 

ECUACIÓN 2.CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA. 

28 

ECUACIÓN 3. ALTURA DINÁMICA TOTAL. 

28 

ECUACIÓN 4. ECUACIÓN DE DARCY-WEISBACH 

28 

ECUACIÓN 5. ECUACIÓN COLEBROOK- WHITE 

28 

ECUACIÓN 6. NÚMERO DE REYNOLDS 

29 

ECUACIÓN 7. VISCOSIDAD CINEMÁTICA DEL FLUIDO 

29 

ECUACIÓN 8. ECUACIÓN DE CAUDAL RESPETO A LA VELOCIDAD. 

29 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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Ecuación de aguas subterráneas por bombeo en la construcción de túneles. 
Caso Hidroeléctrica Amoyá. 

 

 

 

Ana Ximena Portilla Yépez 

INTRODUCCIÓN 

El Proyecto del río Amoyá, localizado en el municipio colombiano de Chaparral, es una central 
hidroeléctrica con una capacidad instalada de 80 MW y una generación anual de energía de 546 
GWh, la cual, no requiere de almacenamiento para la generación de energía, conduce el agua a 
través de túneles. 

En  el  proceso  constructivo  se  realizan  perforaciones  aguas  abajo,  en  contrapendiente,    es  allí 
donde se presentan  problemas asociados con el agua de infiltración, la cual es necesario bombear 
para que no se acumule en el frontón e impida el avance.  

No se puede garantizar que cantidad de agua se va a drenar y en que momento de la perforación 
va  a  surgir  por  tanto  es  necesario  construir  un    sistema  de  bombeo  para  atender  emergencias, 
sistemas  rápidos,  de  fácil  encendido,  que  genere  las  mínimas  obras  de  infraestructura  para 
trabajar, es decir,  tratar de lograr que no se inunde el frente. 

En el proceso de excavación se presentan fallas eléctricas, mecánicas y accidentes que deterioran 
las  bombas,  por  ello  es  muy  importante  hacer  una  buena  selección  de  los  equipos,  contar  con 
sistemas  de  emergencia  eléctricos  y  bombas  de  reserva,  mantenimientos  preventivos  continuos 
con el fin de lograr que los equipos trabajen a las eficiencias esperadas. 

La presente tesis muestra el trabajo que se desarrolló en la construcción  de la hidroeléctrica del 
rio Amoyá con el sistema de bombeo del agua subterránea infiltrada en el proceso de excavación; 
se  presentan  los  principales  inconvenientes  en  el  montaje  y  construcción  del  tramo  de  mayor 
pendiente.  

Agradecimientos al ingeniero Jaime Lobo Guerrero por su orientación en el desarrollo de la tesis, 
al Consorcio Hidroeléctrica Amoyá por las experiencias adquiridas en el tiempo de ejecución y a 
la universidad de los andes por difundir el conocimiento.  

 

 
 
 
 
 
 
 
 

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Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA 
Ecuación de aguas subterráneas por bombeo en la construcción de túneles. 
Caso Hidroeléctrica Amoyá. 

 

 

 

Ana Ximena Portilla Yépez 

1  ANTECEDENTES Y OBJETIVOS 

1.1 

ANTECEDENTES 

 

En  la  construcción  de  la  Hidro-eléctrica  Amoyá  localizada  en  el  municipio  de  Chaparral, 
Tolima, se aprovecha el río Amoyá  para la generación de energía, mediante una obra  a filo de 
agua.  Este  tipo  de  obra  no  requiere  un  embalse  de  consideración  por  lo  cual    es  considerada 
como un sistema de energía limpia por su bajo impacto sobre el ambiente. El agua se conduce a 
través  de  un  túnel  de  carga  de  8.700  metros  hasta  la  casa  de  máquinas.  Este  túnel    posee  una 
sección excavada en herradura y solera plana. En la excavación se construyeron: dos ventanas de 
acceso de 685  y 701 metros cada una, el túnel de acceso a la casa de maquinas de 874 m, tres 
galerías  internas  y  el  túnel  de  descarga  el  cual  tiene  2.894  m  de  longitud    donde  el  agua  es 
regresada al río. Durante todo el proceso de construcción se requiere drenar el agua subterránea 
que  aflora.  Para  el  efecto  se  construyeron  nichos  de  bombeo  en  donde  la  excavación  fue 
realizada  en  contrapendiente.  Adicionalmente  para  realizar  la  excavación  se  utilizó  maquinaria 
de perforación pesada la cual necesita agua limpia impulsada por bombas de alta presión.  

1.2  OBJETIVOS  

1.2.1  Objetivos Generales 

Desarrollar una estrategia para el diseño óptimo  del sistema de bombeo en un túnel durante su 
construcción. 

Aplicar  esta  estrategia  a  la  construcción  de  la  hidroeléctrica  del  Río  Amoyá  en  Chaparral, 
Tolima. 

1.2.2  Objetivos Específicos

 

 

  Analizar las instalaciones existentes  
  Prediseñar con base en la topografía, los sitios para las estaciones y estimar los caudales 

previstos.  

  Establecer el modus operandi y confiabilidad asociada. 

  Estimar  las  curvas  de  los  sistemas  de  bombeo,  puntos  óptimos  de  operación,  potencia 

requerida por cada bomba, selección del diámetro adecuado de tubería por cada frente de 
perforación. 

  Seleccionar  las  bombas  requeridas  a  lo  largo  de  la  excavación  que  cumplan  con  las 

necesidades del equipo de perforación. 

  Analizar el desgaste de los equipos de bombeo, fallas y problemas técnicos en el proceso 

de excavación. 

  Calcular  el  volumen  mínimo  requerido  para  la  estación  de  bombeo  por  cada  frente  de 

perforación. 

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Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA 
Ecuación de aguas subterráneas por bombeo en la construcción de túneles. 
Caso Hidroeléctrica Amoyá. 

 

 

 

Ana Ximena Portilla Yépez 

2  ESTADO DEL ARTE 

2.1  Aspectos Hidrogeológicos 

S

egún el ciclo hidrológico, hay una porción del agua que se infiltra en la tierra y puede llegar 

a ocupar los poros del terreno, tanto en la zona de aireación, en donde aún existe percolación 
por  coexistencia  con  poros  ocupados  por  aire,  como,  posteriormente,  en  la  zona  de 
saturación, donde ya se habla del agua subterránea como tal. 

Entonces  se  encuentra  que  no  existe  un  único  tipo  de  agua  subsuperficial  sino  que, 
distribuidos en dos zonas, zona saturada y zona no saturada, se encuentran distintos tipos que 
obedecen a las fuerzas de capilaridad  y gravedad de forma diferente. 

Entiéndase como capilaridad como el fenómeno mediante el cual el agua asciende por medio 
de una red de conductos interconectados (que son la conexión de los intersticios del suelo y 
materiales  granulares)  gracias  a  la  cohesión  y  adherencia  a  la  superficie  del  suelo  que  la 
rodea. 

El  movimiento  del  agua,  también  se  verá  regido  por  la  presencia  o  no  de  poros  con  aire. 
Mientras en la zona no saturada o de aireación, la dirección fundamental del movimiento es 
vertical  (primero  por  infiltración  y  luego  por  percolación),  en  la  zona  de  saturación  la 
dirección del movimiento se vuelve horizontal. 

Sin embargo, las reservas de la zona de saturación varían, pues el almacenamiento depende 
de  la  geología  de  la  zona,  la  porosidad,  la  explotación  del  agua  y  el  volumen  de  recarga 
mediante movimiento subterráneo, infiltración y percolación. Por tanto, no existe un estándar 
de cantidad de agua, tampoco de espesor de la zona de saturación. 

La  precipitación  y  subsiguiente  infiltración,  hacen  posible  la  permanencia  de  niveles  de  la 
tabla de agua en la zona de saturación. La cantidad de precipitación  y su continuidad darán 
una  mayor  posibilidad  de  remplazar  el  agua  extraída  mediante  explotación,  pero  sin 
embargo, la geología del suelo y los patrones de transpiración y absorción radicular, influirá 
en el agua que percola de manera efectiva hasta la zona de saturación. 

 

__________________

 

1.  Tomado de: Universidad de los Andes. Seminario: Técnicas de Análisis y Evaluación 

de Pruebas de Bombeo (1994). Bogotá, Colombia. 

 

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Ecuación de aguas subterráneas por bombeo en la construcción de túneles. 
Caso Hidroeléctrica Amoyá. 

 

 

 

Ana Ximena Portilla Yépez 

2.1.1  Acuíferos 

Definición 

Los  acuíferos  son  estratos  o  formaciones  geológicas  que  por  sus  características  permiten  el 
almacenamiento  y  la  circulación  del  agua  subterránea  y  que  en  gran  medida  son 
aprovechables y están disponibles en la zona de saturación. 

Estos  medios  porosos  capaces  de  transmitir  y  almacenar  agua,  sin  embargo,  pueden  estar 
disponibles  en  la  zona  no  saturada  (vadosa)  o  en  localizaciones  de  formación  esporádica 
como acuíferos colgantes. 

  Tipos de Acuíferos  

2.1.1.1  Acuíferos Confinados  

En un acuífero confinado el agua se encuentra q mayor presión que la atmosférica, dada por 
dos estratos impermeables que confinan la capa permeable de donde se extrae el agua. 

2.1.1.2  Acuíferos Semiconfinados 

En  un  acuífero  semiconfinado  el  agua  se  encuentra  bajo  las  mismas  condiciones  de  presión 
que  las  de  uno  confinado,  sin  embargo,  la  capa  permeable  está  confinada  por  un  estrato 
impermeable y un estrato semipermeable. 

2.1.1.3  Acuífero Libre  

En  un  acuífero  libre  el  agua  está  ocupando  los  poros  por  gravedad  (se  encuentra  a  presión 
atmosférica) y no tiene confinamiento alguno.

1

 

2.1.2  Funciones de un Acuífero 

Las dos funciones principales de un acuífero son las de almacenamiento y conductividad. Los 
intersticios  de  las  formaciones  acuíferas  albergan  agua  y  al  mismo  tiempo  la  conducen,  de 
manera  en  que  el  almacenamiento  es  temporal  pues  circula  si  no  es  explotada  y  puede  ser 
finalmente descargada hacia cuerpos de agua. 

2.1.3  Afluencia de aguas en los Túneles: Régimen hidrológico subterráneo.  

La corteza terrestre presenta a menudo terrenos  más o menos porosos, como arenas, u otros 
de  la  naturaleza  sólida,  pero  agrietados  en  todos  los  sentidos.  No  es  de  extrañar  que,  al 
construir un túnel, se encuentren aguas en mayor o menor abundancia. Por lo que concierne a 
su  origen  se  pude  distinguir  las  aguas  superficiales  y  las  aguas  subterraneas.  Las  primeras 
tienen su origen cercano, debido a la lluvia, al derretimiento de las nieves o a las filtraciones 
de las corrientes de agua próximas a sitio donde pasan más fácilmente dichas aguas, pues por 

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Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA 
Ecuación de aguas subterráneas por bombeo en la construcción de túneles. 
Caso Hidroeléctrica Amoyá. 

 

 

 

10 

Ana Ximena Portilla Yépez 

ellas,  atraviesan  los  mantos  impermeables  que  separa  á  veces  la  extratificación  de  los 
terrenos, y sin su existencia no llegarían las aguas tan directamente al punto donde se reúnen. 

1  Tomado  de:  Universidad  de  los  Andes.  Seminario:  Técnicas  de  Análisis  y  Evaluación  de 
Pruebas de Bombeo (1994). Bogotá, Colombia. 

Las  aguas  Subterraneas  tienen  en  definitiva  el  mismo  origen  descendente  que  las  aguas 
superficiales,  pero  siguen  un  camino  más  largo  para  llegar  desde  la  superficie  hasta  el  sitio 
donde se las encuentra, pudiendo á veces venir de muy lejos en el sentido horizontal y hasta 
surgir de grandes profundidades en chorros de presión. 

Independientemente  de  las  filtraciones  en  la  masa,  á  través  de  innumerables  canales,  los 
terrenos presentan a veces verdaderos ríos ó lagos subterráneos, siendo varios los túneles en 
que se han encontrado venas de agua de un caudal ó sección extraordinaria.  

2.1.4  Afluencia variable del agua, según las circunstancias 

La cantidad de agua que tiende a fluir en los trabajos de túnel, como la que realmente fluye, 
es  variable  entre  los  más  extensos  límites.  Así,  por  ejemplo  se  han  presentado  casos  en  los 
que  la  perforación  ha  tenido  que  abandonarse,  pues  salía  más  agua  que  la  que  pudiera 
drenarse con todas las bombas instaladas, otros muy profundos se han perforado sin encontrar 
una gota de agua. 

En general, el examen de los terrenos, por lo que se refiere á su naturaleza y topografía y al 
estudio  hidrológico  de  la  zona,  puede  dar  alguna  idea  respecto  a  la  afluencia  más  ó  menos 
grande de aguas que se encontrará en un túnel;  pero no hay que tener gran confianza en los 
resultados de este estudio, que siempre es el más aleatorio ó dudoso de los que se deben hacer 
al  emprender  la  construcción  de  un  túnel.  Hay  que  observar  que  las  consecuencias  que  se 
deducen  del  estudio  tienen  un  carácter  más  bien  positivo  que  negativo;  es  decir,  que  como 
resultado de dicho estudio se prevé que se encontrarán aguas abundantes, es casi seguro que 
éstas no faltarán, pero si por el contrario las previsiones son de que no se encontrarán aguas, 
no es tan seguro de que estas no se presenten.  

La afluencia de aguas puede, pues, ser debida á una de las tres causas siguientes: 

1.  Aguas provenientes de terrenos acuíferos superiores. 
2.  Aguas provenientes de fallas que se encuentren al ejecutar los trabajos. 
3.  Aguas de filtración. 

Aguas  provenientes  de  acuíferos  superiores.  Estos  terrenos,  aportan  cantidades  de  agua 
extraordinarias.  Pero  si  por  su  extensión  es  forzoso  atravesarlos  es  preciso  hacerlo  con  ciertas 
precauciones: 

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Ana Ximena Portilla Yépez 

  No abrir los pozos para la ejecución del túnel, por lo menos en toda aquella parte en que 

se cruza esta clase de terrenos. 

  Si  la  longitud  del  túnel  es  considerable  y  exige  para  su  conclusión,  en  un  tiempo 

razonable,  se  debe  perforar  por  los  dos  frentes  para  construirlo  con  dos  pendientes 
inversas para favorecer la natural salida de las aguas sin necesidad de tener que bombear. 

  Si las condiciones del terreno imponen un trazado con una sola pendiente, atacar sólo el 

túnel por el lado de la pendiente favorable y si es necesario acabar con urgencia, también 
perforar por el otro frente, no debe hacerse sin la instalación de un sistema de bombeo y 
aun  así  podrá  suceder  que  por  muy  reforzado  que  este  el  sistema  proyectado,  no  baste 
para las atenciones de la realidad. 

  Si  el  túnel  se  construirá  en  terrenos  acuíferos,  se  debe  instalar  revestimientos 

impermeables en toda su longitud  y base, para disminuir considerablemente  la afluencia 
constante de agua y que ésta sea sólo importante en el avance, donde todavía no exista el 
revestimiento. 

Aguas provenientes de fallas que se encuentran con los trabajos.  Cuando la presencia del agua 
en  el  terreno  es  debida,  a  fallas  que  se  encuentran  al  avanzar  en  los  trabajos  del  túnel,  las 
circunstancias son completamente diferentes.  

La cantidad de agua que pude proporcionar  el  encuentro de una falla, es  variable  entre los  más 
extensos límites. En el túnel de Argentera, cuando la galería de avance correspondiente a la boca 
de  salida  llego  al  kilómetro  K2+250,  se  encontró  una  falla,  casi  completamente  vertical,  que 
presentaba un caudal tan extraordinario, que el primer día paso de 2.000 m

3

 para descender en los 

demás a unos 1.500m, desapareciendo por completo a los 10 días.  

Algunas veces, por el contrario, aunque se encuentren fallas, las aguas serán poco abundantes  y 
disminuirán por completo al cabo de cierto tiempo. 

Casi  siempre  la  aproximación  de  la  falla  se  reconoce  por  la  mayor  humedad  de  la  roca,  aun 
cuando aquella no reciba directamente filtraciones sensibles que provengan de la superficie. 

Aguas  de  filtración.  La  afluencia  de  aguas  provenientes  de  niveles  acuíferos  superiores  ó  de 
corrientes  de  aguas  interiores  que  se  encuentran  con  los  trabajos,  son  circunstancias 
excepcionales  y  los  puntos  de  afluencia  de  estas  aguas  son  puntos  singulares  entre  los  que 
producen la alimentación del caudal de aguas de un túnel. 

De ordinario el agua fluye por los diversos puntos de las paredes del túnel, esto es, por los miles 
de  agujeros  que  ofrecen  dichas  paredes  sin  aparecer  sobre  ninguno  en  cantidad  notable.  Estas 
paredes pueden  similarse a una superficie filtrante, que no proporciona ningún  gasto  apreciable 
para  un  elemento  dado,  pero  en  las  que  el  gasto  total  es  gran  a  causa  de  la  extensión  de  la 
superficie. 

Otro  caso  importante  que  mencionar  en  latino  América  fue  durante  la  construcción  del  túnel 
común  del  proyecto  hidroeléctrico  Alfalfal  donde  ocurrió  un  caso  de  afloramiento  de  aguas 

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subterráneas,  con un  caudal  de hasta 150 l/s  y  una presión inusualmente  alta, de  100 bar. Esta 
anomalía en la presión constituye un caso inédito, por lo menos en lo que a Chile se refiere. Para 
superar  este  problema  y  poder  continuar  con  la  excavación  norma  de  dicho  túnel,  el  Grupo 
Consultor  Alfalfal  de  Diseño  definió  una  metodología  especial  de  excavación  y  soporte  por 
tramos, complementada con una inyección sistemática sobre la base de una lechada de  cemento 
bentonita. La interpretación hidrológica considera la experiencia de una zona conductora de agua 
coincidente  con  uno  de  los  sistemas  preferenciales  de  discontinuidades,  cuya  abertura  estaría 
favorecida  por  el  estado  tensional  del  macizo  rocoso,  permitiendo  así  la  conexión  con  la 
superficie, 1.000 m más arriba.

2

 

No  es  fácil  calcular  la  cantidad  de  agua  que  se  infiltra  en  un  túnel.  Hoy  en  día  no  existe  un 
método generalizado que ayude en este cálculo. En la mayoría de los casos no se puede encontrar 
este valor y los problemas por el flujo de agua deben afrontarse durante la construcción, teniendo 
muchas  veces  que  hacer  instalaciones  de  evacuación  de  agua  sustancialmente  más  grandes  que 
las inicialmente previstas. Además, no ha sido fácil el desarrollo de dicha metodología porque las 
características  de  los  terrenos  varían  sustancialmente  de  región  a  región,  haciendo  imposible  la 
generalización del problema.  

Factores  como  la  permeabilidad  y  el  fracturamiento  del  macizo  son  dependientes  del  tipo  de 
material  y  de  los  esfuerzos  presentes,  e  incluso  entre  tipos  iguales  de  terreno  pueden  variar 
considerablemente. 

Existe una metodología semi-empírica para el cálculo de infiltración de agua en túneles. Se trata 
de  la  desarrollada  por  el  ingeniero  Ronal  E.  Heuer,  basada  en  las  condiciones  geológicas  del 
macizo rocoso. El factor principal que se tiene en consideración es la permeabilidad del macizo, 
valor  que  implícitamente  representa  el  grado  de  fracturamiento  de  la  roca  y  la  cantidad  de 
discontinuidades presentes en el mismo. Este método fue desarrollado con información de túneles 
construidos en diferentes tipos de roca ubicados en diversas regiones de Estados Unidos. 

 

 

 

 

__________________ 

2.  CASTRO,  Santiago;  CAVIEDES,  Jaime;  DELUCCHI,  Hugo;  GAUSEREIDE  Leif-

Rune;  y  VELASCO  Lucio.  Ocurrencia  de  aguas  subterráneas  a  gran  presión  en  el 
Túnel Común Alfalfal: características, solución adoptada e interpretación. En: Revista 
Geotécnica de Chile. Vol 20, Nº 1, (Julio, 1993), p. 85-97. 

 

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Ana Ximena Portilla Yépez 

En  el  año  2000  se  realizó  un  estudio  concerniente  a  la  infiltración  de  agua  en  túneles 
colombianos, en el cual se verificó el método Heuer para poder determinar si esta metodología es 
aceptable  evaluando  su  aplicabilidad  con  base  en  casos  reales  con  los  registros  geológicos  y 
geotécnicos  tomados  durante  la  construcción.  Se  encontró  que  el  método  no  es  aplicable  para 
calcular la infiltración de agua en los túneles colombianos. 

3

 

Por todo lo anteriormente expuesto es necesario contar con un sistema de bombeo que permita la 
evacuación  de  las  aguas  de  infiltración  y  de  perforación  que  aparezcan  en  los  túneles  para  que 
haya menos interrupciones en el avance de la construcción. 

2.2  Diseño de una estación de bombeo. 

Diseñar una estación de bombeo, incluye la selección de equipos de bombeo más adecuados, la 
definición  de todos los  elementos  y accesorios menores,  eléctricos  y el  dimensionamiento  de la 
obra civil que los contendrá. 

Por lo anterior antes de comenzar con las labores de cálculo y definición es fundamental fijar los 
criterios de diseño;  

2.2.1  Clasificación general de las bombas 

Una bomba es un máquina que transforma energía mecánica en energía hidráulica, evaluada por 
el  producto  del  caudal  a  presión.  Es  decir  su  finalidad  básica  es  transmitir  un  caudal  dado  una 
presión determinada, y esto lo puede llevar a cabo de varias maneras. Esta forma de transmitir la 
energía  al  fluido,  constituirá  la  primera  clasificación  de  las  bombas  entre  las  bombas 
volumétricas y bombas rotodinámicas. 

2.2.2  Bombas de desplazamiento positivo 

Principios de funcionamiento: En las bombas volumétricas, la máquina le transmite la presión al 
fluido mediante un cambio de volumen en el reducto donde éste se halla situado. 

Clasificación: Depende básicamente de tipo de movimiento del elemento móvil. 

1.  Reciprocantes:  En  las  cuales  el  movimiento  que  produce  el  cambio  de  volumen  que 

provoca el aumento de presión en el fluido es alternativo o de vaivén.   

2.  Rotativas:  En  las  cuales  dicho  cambio  de  volumen,  es  consecuencia  de  un  movimiento 

rotativo.  

__________________ 

3.  CASTAÑO, Juliana. Infiltración de Agua en Túneles Colombianos. Santa Fé De Bogotá, 

2000.  Proyecto  de  Grado.  Universidad  de  los  Andes.  Facultad  de  Ingeniería. 
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. 

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Ana Ximena Portilla Yépez 

Ventajas:  

  Se puede alcanzar presiones tan altas como aguanten los materiales que las constituyen. 

  Requerimientos de transmisión de la energía muy elevados, superiores al 90%. 

  Autoaspirantes, no necesitan ser cebadas

  Altas eficiencias. 

Desventajas: 

  Son considerablemente más costosas y requieren más mantenimiento que las centrifugas. 
  Son más delicadas y con mayor incidencia de fallos. 

  Menor potencia específica, son más pesadas y voluminosas que las centrífugas. 

  Solo para caudales muy limitados. 

  Al tratarse de movimiento no continuo (altenativas) las piezas  en movimiento producen 

fuertes inercias que transmiten esfuerzos considerables al resto del equipo y a los anclajes.  
Por ello se limita el caudal que puede mover. 

  Si falla alguna válvula de seguridad, puede reventar el sistema por sobrepresión. 

Campos  de  aplicación  fundamental  son  los  trabajos  especiales  en  los  que  se  requieren  muy 
fuertes  presiones  y  caudales  limitados  o  fluidos  viscosos  o  densos  (fangos,  aceites,  hormigón) 
como bombas dosificadoras. 

2.2.3  Bombas Rotodinámicas  

Principios  de  funcionamiento:  La  bomba  le  transmite  la  presión  al  fluido  mediante  cambios  de 
velocidad y de dirección en las partículas del fluido, no hay cambios volumétricos de ningún tipo. 
Por lo tanto la energía se transmite al fluido mediante un elemento móvil denominado impulsor o 
hélice, siempre rotativo. 

Clasificación: De acuerdo al tipo de impulsor o forma en que se transmite la energía. A la vez se 
clasifican: 

a.  Bombas radiales: Estas bombas transmiten la energía al fluido en forma de velocidad y 

presión,  mediante  la  fuerza  centrífuga,  este  tipo  de  bombas  de  rodete  es  adecuado  para 
presiones medio altas (5 150 mca) y caudales moderados. 

b.  Bombas  axiales:  En  estas  bombas  la  energía  no  se  transmite  mediante  un  cambio  de 

dirección  de  las  partículas  del  fluido,  sino  mediante  un  cambio  de  velocidad  como 
consecuencia del empuje físico que los álabes originan sobre la misma, es decir mediante 
una fuera superficial.  Este tipo de impulsor o hélice es adecuado para presiones bajas (0,5 
a 10 mca) y grandes caudales. 

c.  Bombas semiaxiales: En estas bombas la energía se transmite al fluido por el cambio de 

velocidad y de  dirección de las partículas. 

d.  Bombas en funcionamiento en seco: Son bombas en las que todas sus partes exteriores, 

tanto voluta como motor se encuentran fuera del líquido. 

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e.  Bombas  sumergibles:  Bombas  en  las  que  todos  o  parte  de  sus  componentes 

principalmente  voluta  y  motor  se  encuentran  sumergidos.  No  requieren  cebado  y  su 
arranque es muy sencillo. 

f.  Bombas  monoetapas:  Bombas  con  un  solo  rodete  o  impulsor,  sencillas,  robustas  y 

económicas, tienen limitaciones de presión y requieren mayor espacio. 

g.  Bombas  multietapas:  Bombas  con  varios  impulsores  conectados  en  serie,  permiten 

alcanzar  presiones  mayores,  requieren  mayor  mantenimiento  y  son  más  costosas.  Son 
utiliadas en bombeos de alta presión, en bombeos con poco espacio. 
 

2.3  Curvas y parámetros característicos de las bombas. 

2.3.1  Potencia y rendimiento. 

Una bomba está constituida por un motor eléctrico, una parte mecánica y una parte hidráulica. El 
motor eléctrico debe tener la capacidad suficiente para satisfacer la máxima demanda de potencia  
que le exija el impulsor, más las posibles pérdidas internas. 

La potencia consumida en el eje del motor (P

eje

) es siempre menor que la potencia consumida por 

la red (P

in

). Esto se debe a las pérdidas que se originan en el interior del motor (en el bobinado de 

cobre  y  en  el  núcleo  ferramagnético),  en  los  rodamientos,  cierres  mecánicos  y  demás 
componentes mecánicos. 

P

eje

(W)=P

in

-P

per  

Ecuación 2. Potencia consumida.

 

Por lo tanto, conociendo la intensidad consumida por el motor en amperios, la tensión de la red 
en  voltios  y  el  factor  de  potencia  (coseno  de  j),  se  puede  obtener  la  potencia  consumida  por  el 
grupo motor- bomba de la red. 

 

 

 

 

 

 

 

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Ana Ximena Portilla Yépez 

2.4  Descripción de la zona de estudio 

A continuación se describen las principales características de la zona de estudio que se tienen en 
cuenta en el desarrollo del proyecto. 

 

2.4.1  Localización:  El  sector  donde  se  llevará  a  cabo  el  estudio  es  en  el 

municipio de Chaparral, al sur del Tolima. 

 

Figura 1. Localización general del proyecto. 

 

El Proyecto del río Amoyá, es una central hidroeléctrica con una capacidad instalada de 80 MW 
que pretende reducir las emisiones de CO

2

 de la red eléctrica nacional mediante la construcción 

de una planta de generación de energía a filo de agua. 

Este tipo de obra no requiere un embalse de almacenamiento por lo cual es considerada como un 
sistema de energía limpia por su bajo impacto sobre el ambiente.  

 

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Figura 2.  Captación reja de fondo presa vertedero.

 

 
El agua entra a un desarenador y  se conduce a través de un túnel de carga de 8.700 metros hasta 
la casa de máquinas. Este túnel  posee una sección excavada en herradura y solera plana

.  

 

 

 

Figura 3. Desarenador y túnel de conducción 

 

Figura 4.  Sección de túnel 

 

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Ecuación de aguas subterráneas por bombeo en la construcción de túneles. 
Caso Hidroeléctrica Amoyá. 

 

 

 

18 

Ana Ximena Portilla Yépez 

Antes  de  la  llegada  a  la  casa  de  maquinas,  el  túnel  llevara  un  blindaje  metálico  de 
aproximadamente  150  m  de  longitud    para  controlar  el  gradiente  hidráulico  que  puede 
desarrollarse en el sector de aguas arriba de la caverna. 
 
El túnel de acceso a la casa de maquinas de 874 m, donde se alojara la central subterránea tiene  
tres galerías internas  y el túnel de descarga el cual tiene 2.894 m de longitud  donde el agua es 
regresada al río. 

 

Figura 5. Túnel de acceso a casa de 
máquinas. 

 

Figura 6. Central de Máquinas 

 

Dentro de esta estructura subterránea se están construyendo 6 niveles en donde se destacan: 

•  El nivel  inferior llamado piso de bombas. 
•  Los niveles donde se encuentran los pisos de generación  llamados pisos de turbinas y 

piso de equipos electromecánicos y el nivel principal llamado sala de montaje. 

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Caso Hidroeléctrica Amoyá. 

 

 

 

19 

Ana Ximena Portilla Yépez 

 

Figura 7. Construcciones internas de la Casa de Máquinas

 

 
En la culata de aguas arriba se encuentra un nicho que alojara un edificio de tres pisos en donde 
se controlan todos los equipos de la central. El túnel de carga se bifurca en dos ramales blindados 
que llegan cada uno a una válvula esférica de tipo rotor. 
 

 

 

  Figura 8. Bifurcadores

 

 
Proceso  de  Generación  de  Energía  consiste  en  la  conversión  de  energía  mecánica  en  energía 
eléctrica y se logra en forma controlada por medio de la utilización de una serie de dispositivos 
cuya parte central es el conjunto de la turbina y el generador.  

El agua después de su recorrido por el túnel de carga pasa a cada unidad de generación llegando a 
los blindajes del distribuidor en forma de caracol que se encarga de repartir el agua a presión a 
cada  uno  de  los  6  inyectores  de  la  turbina  pelton  de  eje  vertical  generando  un  movimiento 
circular. 

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20 

Ana Ximena Portilla Yépez 

Ese  movimiento  es  transmitido  al  generador  de  corriente  alterna  en  donde  se  genera  la  energía 
eléctrica por efecto de inducción electromagnética.  

De esta forma cada generador provee de una potencia nominal de 40 mvatios = 80 mvatios entre 
las dos unidades. 

Esta  energía  es  entregada  a  través  de  los  ductos  de  barras  a  una  tensión  de  13.8  KV  a  dos 
transformadores de potencia. La energía pasas a una estación de maniobra encapsulada para ser 
llevada al exterior, donde la energía se entrega al sistema interconectado nacional. 

2.5  Proceso de excavación 

El  proceso  de  excavación  utilizado  es  el  convencional,  el  cual  se  realiza  a  base  de  una 
barrenación  mediante  equipos  de  perforación  neumáticos  y  el  uso  de  explosivos,  la  siguiente 
figura  muestra  el  equipo  de  perforación  “jumbo”.    A  continuación  se  presenta  el  ciclo  de 
excavación en forma generalizada. 

  Amacise del frente y acomodo de rezaga. 

  Marca topográfica de la sección 

  Acercamiento de equipos 

  Barrenación de la sección superior (incluye la cuña). 

  Sopleteado de los barrenos 
  Carga de alto explosivo cebado  

  Carga de bajo explosivo  

  Conexión de noneles 

  Retiro de equipo  

  Detonación 

  Ventilación  

Estos  ciclos  se  llevan  a  cabo  para  avanzar  con  la  excavación  del  túnel,  por  tanto  se  requiere 
realizar  varios  frentes  de  excavación  para  progresar  la  obra,  los  avances  son  a  favor  de  la 
pendiente o en contrapendiente. 

 

 

 

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21 

Ana Ximena Portilla Yépez 

 

Figura 9. Equipos de perforación de dos brazos, 

 construcción de la Casa de Maquinas. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Ana Ximena Portilla Yépez 

3  METODOLOGÍA 

3.1  Drenaje del agua en el proceso de construcción  

El  agua  que  se  infiltra  en  el  interior  del  túnel  debe  ser  conducida  a  colectores  de  drenaje 
longitudinal  que  puede  ser  evacuada  por  gravedad  en  túneles  superficiales,  pero  deben  ser 
bombeadas cuando los túneles están a profundidades considerables. 

Cuando el avance de obra se hace en contrapendiente al terreno, se presenta el represamiento del 
agua de infiltración, más el agua que se usa en los equipos para perforación que es 1,5 litros por 
segundo (l/s) por cada brazo del equipo de perforación, en la zona del frontón, la cual es atacada 
en el momento del avance.  

 

 

 

Figura 10. Agua de infiltración en los túneles de Amoyá. 

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23 

Ana Ximena Portilla Yépez 

Varios factores como variaciones en el sistema eléctrico, fallas eléctricas o mecánicas hacen que 
los túneles se inunden.   La siguiente figura muestra los volúmenes de agua que drenan hacia el 
frente. 

Los  frentes  de  perforación  que  van  en  contrapendiente  tienen  necesariamente  que  bombear  el 
agua hacia la superficie o hacia otra de las galerías donde la pendiente sea positiva y el agua salga 
por gravedad. 

En  el  proyecto  se  construyeron:  dos  ventanas  (1  y  2)  de  acceso  de  685  y  701  metros 
respectivamente, la Ventana 1 será confinada permanentemente mediante un tapón de concreto al 
finalizar la obra  y la Ventana 2 se ha previsto un blindaje que permita trabajos  de inspección  y 
mantenimiento del túnel de presión.  
 

 

Figura 11. Frentes de perforación aguas abajo en contra pendiente

 
Fue necesario construir las ventanas para acceder a la sección aguas abajo que junto al túnel de 
presión fueron perforadas en contrapendiente. 
 
El túnel de Presión y la Ventana 1 aguas abajo con una pendiente del terreno negativa del cuatro 
por ciento (- 4%) y la Ventana 2 aguas abajo con una pendiente del 10,26 por ciento, la cual fue 
escogida para realizar el estudio por las complicaciones de operación, construcción y acceso. 

3.2  Caudal a bombear  

En la zona de estudio no se cuenta con un estudio de caudales ni con una modelación hídrica, es 
decir, se desconoce el caudal de diseño  de bombeo en los  frentes de perforación, por lo cual se 
recurre  a  las  especificaciones  técnicas  del  proyecto,  donde  menciona  un  caudal  de  30  l/s  por 
frente de perforación, los cuales se distribuirán a lo largo del tramo de estudio. 
 

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24 

Ana Ximena Portilla Yépez 

3.3  Parámetros de diseño: Análisis de las instalaciones existentes

La longitud total del frente es 1,483.71 metros y se requiere bombear por tramos para controlar el 
agua en el frontón o zona de perforación, el caudal es variable a lo largo del túnel e incierto. 

Se construyeron pozos de bombeo cada 200 metros aproximadamente con una profundidad de 1,5 
metros, con el objetivo de que el agua que escurre por la vía debe llegar al pozo y ser bombeado 
hacia la siguiente estación. 

 

Figura 12. Caudal a bombear dependiendo de la longitud del terreno. 

Lograr  tramos  relativamente  uniformes,  como  se  observa  en  a  gráfica  anterior,  permite  hacer 
cambios  de  la  bomba  en  la  estación  cuando  se  generan  daños  por  caídas  de  voltaje  o  caídas  de 
fase, es decir problemas eléctricos o mecánicos causado por desgaste en las piezas. 

3.4  Modus Operandi o Frecuencia de bombeo 

La  necesidad  del  avance  en  el  proceso  de  excavación  exige  que  el  bombeo  sea  permanente,  ya 
que el desarrollo del proyecto requiere establecer plazos mínimos establecidos en el momento de 
firmar  el  contrato.  Los  daños  en  una  de  las  bombas  serian  causante  de  la  interrupción  en  la 
secuencia de drenaje lo que implicaría inundación del túnel y retrasos en los trabajos de avance. 

Otro  problema  generado  por  la  interrupción  del  bombeo  es  el  deterioro  de  las  vías  ya  que  para 
poder garantizar el tránsito de los equipos se requiere tapar los “peines” o las deformaciones del 
terreno  producto  de  la  voladura  usando  para  ello  un  material  clasificado  gravilla  fina  o  recebo 
para permitir el tránsito de vehículos al interior del túnel. Esto proporciona cumplimiento en las 
metas  establecidas  al  lograr  los  tiempos  de  ejecución  programados  en  cada  actividad  en  el 
proceso de perforación y avance de obra. 

0

50

100

150

200

250

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

Ter

re

n

o

 (m

)

Caudal (l/s)

Caudal de Bombeo  Vs 

Longitud del tramo 

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25 

Ana Ximena Portilla Yépez 

Para evitar estos inconvenientes, retrasos e inundaciones del túnel, se debe contar con bombas de 
reserva  ya  que  con frecuencia se presentan  problemas eléctricos,  mecánicos  y  accidentes. Dejar 
pasar  el  tiempo  sin  reaccionar  rápidamente,  es  evidentemente  el  principal  problema  ya  que  el 
agua de infiltración inunda rápidamente el túnel y las pérdidas económicas son gigantescas

3.5  Tipos de bombas a utilizar. 

Para el desarrollo del proyecto se escogieron bombas sumergibles por las siguientes ventajas: 

  No  requiere  aspiración  por  lo  tanto  no  requiere  cebado,  por  tanto  el  arranque  es  más 

rápido, punto crucial en proyectos donde la pérdida de tiempo produce grandes pérdidas. 

  Requiere una obra civil mínima garantizar la sumergencia de la bomba y un desarenador 

para finos y arenas.  

A continuación se presentan las curvas características de las bombas seleccionadas para bombear 
el túnel. 

 

Figura 13. Bomba Sumergible, Marca Grindex, Modelo Major N y H. 

 

 

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26 

Ana Ximena Portilla Yépez 

 

Figura 14. Bomba Sumergible, Marca Grindex, Modelo Master  N y H. 

  

 

 

Figura 15. Bomba Sumergible,  Marca Grindex, Modelo Matador N y H. 

 

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27 

Ana Ximena Portilla Yépez 

 

4  DATOS Y ANÁLISIS DE DATOS  

4.1  Cálculos de la Altura Dinámica Total. 

Mediante el uso de las ecuaciones de Colebrook-While y la de Darcy-Weisbach se puede llevar a 
cabo el cálculo de tuberías simples. Se inicia con la ecuación de conservación de la energía para 
una tubería que parte de un tanque de nivel constante, se puede plantear la ecuación de Bernoulli 
entre los puntos 1 y 2 para llegar a la ecuación 

4

1

+ 𝑍

1

=

𝑉

2

2

2𝑔

+ 𝑧

2

+

𝑃

2

𝜌𝑔

+ ℎ

𝑓

+ ∑ ℎ

𝑚

 

Ecuación 2.Conservación de la energía. 

 

Figura 16. Cálculos de la altura dinámica total 

Si el punto 2 es la salida de la tubería, el término de la altura de velocidad desaparece ya que el 
flujo pierde su velocidad y la presión en la salida es igual a la atmosférica. 

__________________ 

4.  SALDARRIAGA,  Juan.  Hidráulica  de  Tuberías.  Abastecimiento  de  agua,  redes,  riegos. 
Alfaomega. Bogotá, D.C., 2007. 

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28 

Ana Ximena Portilla Yépez 

 

𝑣

2

2

2𝑔

= 0 𝑦 

𝑝

2

𝜌𝑔

= 0 

 

Por tanto la altura total producida por la bomba debe ser la siguiente ecuación: 

𝐻 = 𝑧

2

+ ℎ

𝑓

+ ∑ ℎ

𝑚

 

Ecuación 3. Altura dinámica total. 

 

4.2  Pérdidas por fricción 

Usando la ecuación de Darcy-Weisbach para el cálculo de las pérdidas por fricción (h

f

): 

𝑓

= 𝑓

𝑙

𝑑

𝑣

2

2𝑔

 

Ecuación 4. Ecuación de Darcy-Weisbach 

f: factor de fricción  

v: velocidad  

g: gravedad  

d: diámetro de la tubería 

l: longitud de la tubería 

4.3  Factor de fricción de Darcy  

Para resolver esta ecuación es necesario conocer el valor del factor de fricción f de Darcy en la 
ecuación no explícita de Colebrook- White: 

1

√𝑓

= −2𝑙𝑜𝑔

10

[

𝑘

𝑠

3,7𝑑

+

2.51

𝑅𝑒√𝑓

Ecuación 5. Ecuación Colebrook- White 

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29 

Ana Ximena Portilla Yépez 

Que a su vez depende del número de Reynolds. 

4.4  Número de Reynolds 

El  número  de  Reynolds  relaciona  la  densidad,  viscosidad,  velocidad  y  dimensión  típica  de  un 
flujo  en  una  expresión  adimensional,  dicho  número  o  combinación  adimensional  aparece  en 
muchos  casos  relacionado  con  el  hecho  de  que  el  flujo  pueda  considerarse  laminar  (número  de 
Reynolds pequeño) o turbulento (número de Reynolds grande).  

 

 

Ecuación 6. Número de Reynolds 

donde: 

ρ: densidad del fluido 
v

s

: velocidad característica del fluido 

D: diámetro de la tubería a través de la cual circula el fluido o longitud característica del 
sistema 
μ: viscosidad dinámica del fluido 
ν: viscosidad cinemática del fluido 
 

𝜗 =

𝜇
𝜌

 

 

Ecuación 7. Viscosidad cinemática del fluido 

 

 

4.5  Cálculo de velocidad  

𝑄 = 𝑣. 𝐴     𝑣 =

𝑄

𝐴

 

Ecuación 8. Ecuación de Caudal respeto a la velocidad. 

 

Q: Caudal distribuido hipotéticamente independiente a lo largo del túnel. 
A: Área  de la tubería utilizada. 

 

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30 

Ana Ximena Portilla Yépez 

4.6  Curva  característica  de  la  bomba  y  determinación  de  la  curva  del 

sistema 

La  curva  característica  relaciona  todas  las  posibles  combinaciones  de  caudal  (Q)  y  presión  o 
altura  dinámica  total  (H),  que  una  determinada  bomba  puede  proporcionar,  es  la  curva  más 
importante de las que describen el funcionamiento de la bomba. Esta curva suele venir limitada 
en  sus  dos  extremos,  es  decir  se  restringe  el  funcionamiento  de  la  bomba  en  las  zonas 
correspondientes  a  caudales  muy  bajos  (zonas  altas)  y  a  caudales  muy  altos  (zona  baja)  con  el 
objetivo de protegerla de malos funcionamientos, en la siguiente figura se observa en un círculo 
azul el punto óptimo de operación. 

Con  la  información  obtenida  en  la  etapa  de  levantamiento  de  datos  se  elabora  la  curva 
característica  del  sistema,  la  cual  representa  la  altura  de  la  carga  total  que  deben  vencer  las 
bombas funcionando a los  diversos  caudales calculados o asignados.  La  curva del  sistema es  la 
representación gráfica de la suma de la altura estática, las pérdidas por fricción, las perdidas por 
accesorios menores y las pérdidas singulares del sistema con respecto al caudal. (Figura 17). 
 
 

 

Figura 17. Ejemplo de curva característica del sistema sobre a la curva de la bomba y  

el punto optimo de operación. 

 

 

 

 

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31 

Ana Ximena Portilla Yépez 

4.7  Condiciones de trabajo:  

Las siguientes son las características del fluido.

  

Tabla 1 .Características del fluido y de la bomba. 

 

Con lo anterior se puede calcular el diagrama de cada tramo de bombeo en una longitud total de 
1483.71 con una pendiente del terreno del 10,26%. 

Se construyeron siete cárcamos de bombeo, los cuatro primeros con tubería de 6 pulgadas  y los 
otros  con  tubería  de  cuatro  pulgadas  de  polietileno  de  alta  densidad,  dicha  tubería  tiene  un 
diámetro diferente al comercial es cual esta especificado en la siguiente tabla, donde se calcula la 
velocidad y el área. 

Tabla 2. Longitud de los tramos de bombeo, caudal asignado, diámetro de tuberías. 

 

Adicionalmente  se  calcula  el  número  de  Reynolds,  el  coeficiente  de  fricción  para  obtener  las 
perdidas menores y las pérdidas por fricción para finalmente calcular la Altura Dinámica Total y 
la potencia requerida para mover el caudal bajo esas condiciones. 

r

998.2

Kg/m

3

m

0.001005 Pa.s

n

0.00000114

m

2

/s

g

9.81

m/s

2

h

85 %

Ks

0.00015

Longitud total 
del tramo 

1,483.71

          

m

n

0.00000114

m

2

/s

∑km

4.21

Pendiente 
Tramo

10.26%

Caudal 
Específico

0.02

                

l/s*ml

DATOS

Características del fluido

Características de la bomba

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Caso Hidroeléctrica Amoyá. 

 

 

 

32 

Ana Ximena Portilla Yépez 

 

Tabla 3. Cálculos de la altura dinámica total

 

 

Con estos datos se puede calcular la curva del  sistema asociado a  la curva de la bomba elegida 
para cada tramo, teniendo en cuenta el caudal asignado  de acuerdo a las distancias a bombear. La 
tubería se escogió tratando de disminuir las pérdidas por fricción, para que la bomba opere en la 
zona de máxima eficiencia. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Re

f

hf

hm

H Altura 

Topográfica

F de 

seguridad 

Altura 

Dinámica 

Total 

Potencia

(m)

(m)

(m)

(m)

(m)

Kw

Primer tramo 

294,855.47

    

0.021408

12.64

              

1.55

                  

20.52

              

0.69

              

35.40

            

11.44

                 

Segundo tramo 

255,109.77

    

0.021533

9.04

                

1.16

                  

19.49

              

0.59

              

30.29

            

8.47

                   

Tercer tramo 

217,351.36

    

0.021691

6.26

                

0.84

                  

18.47

              

0.51

              

26.09

            

6.21

                   

Cuarto tramo

181,580.22

    

0.021896

4.90

                

0.59

                  

20.52

              

0.52

              

26.53

            

5.28

                   

Quinto tramo

196,992.39

    

0.023704

17.65

              

1.34

                  

21.65

              

0.81

              

41.45

            

6.44

                   

Sexto tramo

138,751.14

    

0.024213

8.73

                

0.66

                  

21.14

              

0.61

              

31.14

            

3.41

                   

Septimo tramo 

81,892.71

      

0.025296

3.09

                

0.23

                  

20.52

              

0.48

              

24.31

            

1.57

                   

Frontón 

26,690.34

      

0.027889

0.17

                

0.02

                  

9.92

                

0.20

              

10.32

            

0.22

                   

Tramo/cárcamo 

de bombeo

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33 

Ana Ximena Portilla Yépez 

Tabla 4. Curva del sistema en cada pozo de bombeo (1-5 pozo) 

 

Tramo 

Long 

Tramo

H Altura 

Topográfica

Caudal 

 Tubería

H fricción

ADT

Curva de la Bomba

Modelo

(m)

(m)

(l/s)

(pulgadas)

(m)

(m)

1

200.0

20.5

33.0

6

             

12.62

    

35.39

 

Matador H

2

190.0

19.5

28.5

6

             

9.03

      

30.28

 

Matador N

3

180.0

18.5

24.3

6

             

6.25

      

26.08

 

Master H

4

200.0

20.5

20.3

6

             

4.90

      

26.52

 

Master H

5

211.0

21.6

15.9

                4 

17.63

    

41.43

 

Master H

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34 

Ana Ximena Portilla Yépez 

Tabla 5. Curva del sistema en cada pozo de bombeo (6 pozo al frontón) 

 

 

Tabla 6. Potencia de las bombas 

 

Tramo 

Long 

Tramo

H Altura 

Topográfica

Caudal 

 Tubería

H fricción

ADT

Curva de la Bomba

Modelo

(m)

(m)

(l/s)

(pulgadas)

(m)

(m)

6

206.0

21.1

11.2

4

                

8.72

      

31.13

 

Major H

7

200.0

20.5

6.6

4

                

3.08

      

24.31

 

Major H

8

96.7

9.9

2.1

                4 

0.17

      

10.32

 

Major H

Tramo 

Long 

Tramo

H Altura 

Topográfica

Caudal    Tubería 

ADT

P

Modelo

(m)

(m)

(l/s)

 (θ) 

(m)

(Kw)

de la bomba

1

200.0

20.5

33.0

6

            

35.39

    

23.00

 

Matador H

2

190.0

19.5

28.5

6

            

30.28

    

21.00

 

Matador N

3

180.0

18.5

24.3

6

            

26.08

    

12.50

 

Master H

4

200.0

20.5

20.3

6

            

26.52

    

12.00

 

Master H

5

211.0

21.6

15.9

4

            

41.43

    

11.00

 

Master H

6

206.0

21.1

11.2

4

            

31.13

    

7.50

   

Major H

7

200.0

20.5

6.6

4

            

24.31

    

6.30

   

Major H

8

96.7

9.9

2.1

4

            

10.32

    

5.00

   

Major H

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35 

Ana Ximena Portilla Yépez 

4.8  Principales problemas asociados al sistema de bombeo en túneles. 

  Fallas eléctricas 

En cuanto a los problemas más comunes que se puede encontrar en un motor es: 

  Quemado de bobinados: las razones pueden ser  por fallos en la  corriente o fallos en la 

tensión. 

Las altas tensiones por encima de la nominal producen aumentos de temperatura en el bobinado. 
Esta  temperatura  no  causa  normalmente  un  daño  inmediato,  se  va  deteriorando  lentamente  el 
aislamiento hasta generarse la falla. 

Cuando el fallo es por sobre corriente o por sobrecarga en el motor, puede ser resultado de: 

  Tensión baja 

  Impulsor bloqueado  

  Refrigeración escasa o nula. 

  Fricción excesiva en rodamientos, casquillos o impultor. 
  Alta temperatura del agua a bombear. 

Otro tipo de fallo es por corriente asimétrica. Las bobinas de una o dos fases del motor resultan 
quemadas. El fallo puede ocurrir cuando una de las fases de la red de suministro se desconecta, 
por ejemplo cuando un fusible se funde, el motor continúa trabajando con mayor consumo en las 
otras fases. 

Fallas asociadas  a la tensión pueden ser causadas por: 

  Sobretensión que produzca un coto circuito  

  Baja  calidad  de  material  aislante.  El  aislamiento  se  pude  consumir  si  el  motor  se 

sobrecalienta o se sumerge en el agua. 

  Fallo en el bobinado del motor. 

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36 

Ana Ximena Portilla Yépez 

 

 

Figura 18. Daños eléctricos

 

 
 

  Cambio del diámetro de la tubería de descarga 

En el afán del avance de la excavación se puede improvisar con materiales inapropiados para las 
bombas, como son las tuberías de descarga. 

La siguiente foto muestra una bomba de 11 HP de fuerza con un diámetro de descarga original de 
4 pulgadas transformada a 2 pulgadas con un acople de fabricación casera. 

     

 

 

Figura 19. Estrangulamiento en la tubería de impulsión.

 

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37 

Ana Ximena Portilla Yépez 

  Golpes en la bomba de achique o bomba del frontón en el frente de excavación 

Después del proceso de voladura, extracción de gases y desprendimiento de materiales sueltos se 
procede a rezagar para retirar el material demolido, pero en ese tiempo hay una acumulación de 
agua en el frontón que debe ser removida para que el equipo pueda entrar y retirar la rezaga.  

Muchas veces el operador del cargador de bajo perfil “toro” no se prevé la existencia de la bomba 
y  la  golpea  la  siguiente  figura  ilustra  casos  de  deformaciones  de  bombas  por  golpes.  Se 
recomienda una señalización visible para evitar o minimizar esos daños. 

 

 

 

 

Figura 20. Golpes a la bomba del frontón del túnel.

 

  Falta de mantenimiento. 

Trabajar continuamente 24 horas sin suspender actividades implica mayor desgaste, es necesario 
contar  con  un  programa  de  mantenimiento,  se  recomienda  una  frecuencia  de  350  horas  de 
operación aproximadamente. 

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Caso Hidroeléctrica Amoyá. 

 

 

 

38 

Ana Ximena Portilla Yépez 

  Falta de limpieza en los pozos de bombeo. 

Se acumula el lodo  residuo del proceso de perforación en cada estación de bombeo, los  finos  y 
las arcillas deterioran el interior de la bomba. 

 

 

Figura 21. Bombas trabajando enterradas en lodo espeso. 

  Bombas que trabajan sin agua. 

La bomba no es apagada en su debido tiempo sino que sigue trabajando con ausencia de agua. 

 

Figura 22. Bombas encendidas sin agua suficiente para bombear. 

 
 

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39 

Ana Ximena Portilla Yépez 

  Ingreso de roca fracturada de la voladura en las tuberías. 

Si después de la detonación no se protege las tuberías, muy posiblemente pueden entrar rocas a 
presión en los tubos impidiendo drenaje del agua. 

 

Figura 23. Roca encontrada en una tubería después de haber  

avanzado aproximadamente 100 m.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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40 

Ana Ximena Portilla Yépez 

5  CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES  

  La cantidad de agua que fluye en los túneles, es variable, se han presentado casos en los 

que  la  perforación  ha  tenido  que  abandonarse,  pues  salía  más  agua  que  la  que  pudiera 
drenarse con todas las bombas instaladas, otros túneles muy profundos se han perforado 
sin  encontrar  una  gota  de  agua.  Por  tanto  es  necesario  instalar  el  sistema  de  bombeo 
oportunamente  así  no  se  presenten  indicios  de  grandes  vertimientos  de  agua,  ya  que  los 
imprevistos se presentan en cualquier momento de la perforación. 
 

  Un  factor  importante  en  el  proceso  constructivo  de  los  túneles  es  establecer  donde  se 

construirán  los  pozos  de  bombeo,  se  recomienda    tratar  de  estandarizar  las  distancias,  
mientras el terreno lo permita, para poder hacer mantenimientos y remplazar las bombas 
averiadas o dañadas, de esta forma se amplia las opciones para remplazar en cada pozo. 
 

  Los procesos de excavación en túneles exigen que no se puede suspender el bombeo ya 

que  implicaría inundación del frente de trabajo, por tanto es necesario plantear estrategias 
que ofrezcan confiabilidad, como el mantenimiento preventivo antes que el correctivo, la 
presencia permanente de bombas de reserva, un personal eléctrico capacitado en caso de 
fallas  o  variaciones  en  el  voltaje,  son  algunas  maniobras  recomendables  para  evitar 
problemas con los sistemas de bombeo. 
 

   El  mercado  ofrece  gran  variedad  de  bombas,  el  uso  de  bombas  sumergibles  tiene  sus 

ventajas en este tipo de proyectos ya que el arranque es más rápido, punto crucial donde la 
pérdida de tiempo se traduce en pérdidas económicas, por otra parte este tipo de bombas 
requiere  de  mínimas  obras  civiles  lo  que  representa  ahorro  en  el  momento  de  la 
construcción. 
 

  Para seleccionar la bomba adecuada es necesario tener en cuenta que trabaje en la zona 

óptima  de  operación  con  el  objetivo  de  protegerla  de  malos  funcionamientos  y  para 
obtener de ella su máxima eficiencia. 
 

  Los principales problemas asociados con el bombeo de aguas en los túneles el proceso 

constructivo  se  generan  por  fallas  eléctricas,  es  indispensable  contar  con  un  sistema  de 
emergencia, una planta eléctrica que se encienda rápidamente. 
 

  Hay bombas que necesitan ser “reseteadas” posterior a la falla eléctrica o se apagan hasta 

que  se  haga  el  encendido  manual,  se  recomienda  contar  con  transporte  disponible  para 
minimizar  los tiempos perdidos,  ya que como  las bombas están en secuencia, no deben 
trabajar sin agua. 
 

  Las  altas  tensiones  por  encima  de  la  nominal  producen  aumentos  de  temperatura  en  el 

bobinado  de  las  bombas  eléctricas,  esta  temperatura  no  causa  normalmente  un  daño 

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Caso Hidroeléctrica Amoyá. 

 

 

 

41 

Ana Ximena Portilla Yépez 

inmediato, se va deteriorando lentamente el aislamiento hasta generarse la falla en la parte 
interna de la bomba. 
 

  Se recomienda contar con dos bombas de reserva por cada frente de perforación, una para 

el achique del frontón y otra que remplace a las de mayor tamaño. 
 

  Se recomienda cumplir con un programa de mantenimiento cada 350 horas mínimo por 

cada bomba que trabaje las 24 horas continuas. 
 

  Se recomienda limpiar los pozos de bombeo una vez al día para evitar que las bombas se 

deterioren de forma acelerada, las arenas y los finos dañan los impulsores y en general la 
parte interna de la bomba. 
 

  Para disminuir los tiempos de bombeo se recomienda en el momento de la voladura no 

apagar  las  bombas,  dejar  que  sigan  bombeando  en  los  cárcamos.  Apagar  solo  la  bomba 
del frontón. 

 

 

 

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Universidad de los Andes 
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA 
Ecuación de aguas subterráneas por bombeo en la construcción de túneles. 
Caso Hidroeléctrica Amoyá. 

 

 

 

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Ana Ximena Portilla Yépez 

6  BIBLIOGRAFÍA 

      

  Tomado de: Universidad de los Andes. Seminario: Técnicas de Análisis y Evaluación de 

Pruebas de Bombeo (1994). Bogotá, Colombia. 

  CASTRO, Santiago; DELUCCHI, Hugo; GAUSEREIDE Leif-Rune; CAVIEDES, Jaime 

y VELASCO Lucio. Ocurrencia de aguas subterráneas a gran presión en el Túnel Común 
Alfalfal:  características,  solución  adoptada  e  interpretación.  En:  Revista  Geotécnica  de 
Chile. Vol 20, Nº 1, (Julio, 1993), p. 85-97.   
 

  CASTAÑO, Juliana. Infiltración de Agua en Túneles Colombianos. Santa Fé de Bogotá, 

2000.  Proyecto  de  Grado.  Universidad  de  los  Andes.  Facultad  de  Ingeniería. 
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. 
 

  SALDARRIAGA, Juan. Hidráulica de Tuberías. Abastecimiento de  agua, redes, riegos. 

Alfaomega. Bogotá, D.C., 2007. 
 
 

 

 

 

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