Simulación de la extracción de aguas subterráneas por pozos de bombeo a través de análisis hidromecánicos acoplados y desacoplados

R.J.Q. Quispe, C. Romanel, K.V. Bicalho

In the proceedings of: GEO2011: 64th Canadian Geotechnical Conference, 14th Pan-American Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, 5th Pan-American Conference on Teaching and Learning of Geotechnical Engineering

Session: Hydrogeology and Seepage

ABSTRACT: Fluid extraction from porous media generates deformation fields that may affect the flow solution, giving rise to a coupled hydromechanical problem governed by Biot™s equations generalized to variable saturation media. Water pumping from fluvial aquifer wells is a typical example of this type of problem. Generally, the available computer codes for the problem solution are based on uncoupled analyses, where the mechanical behaviour is not accounted for and only the flow problem is treated. This work investigates 3D numerical models for groundwater problems involving pumping wells in confined or unconfined aquifers. Transient analyses are also carried out in order to obtain the distribution of hydraulic heads and flow velocities based on the finite element methods (spatial discretization) and the finite difference method (temporal discretization). Two different approaches were used to solve Richard™s and Biot™s equations with numerical results compared and discussed, aiming to identify cases where uncoupled analyses are not enough to provide satisfactory answers for the hydraulic problem. PRESENTACIONES TECNICAS La extracción de fluidos de medios porosos deformables genera campos de deformación que pueden afectar el proceso de flujo, constituyendo un problema de acoplamiento hidromecánico gobernado por las ecuaciones de Biot generalizadas para medios con saturación variable. La extracción de agua por pozos de bombeo en sistemas acuíferos fluviales es una aplicación de este tipo de problema. Generalmente, en los códigos computacionales disponibles para su solución, las ecuaciones involucradas son desacopladas, despreciando el fenómeno mecánico y considerando únicamente el fenómeno de flujo. Este trabajo investiga dos modelos numéricos tridimensionales para extracción de aguas subterráneas por pozos de bombeo en acuíferos libres y semiconfinados. Son realizados análisis de carácter transitorio para la obtención de las distribuciones de cargas hidráulicas y velocidad de flujo, a través del método de los elementos finitos (discretización espacial) y del método de diferencias finitas (discretización temporal). Fueron empleados dos enfoques: la resolución de la ecuación de Richards y la resolución de la ecuación de Biot generalizada para medios con saturación variable. Los resultados son comparados para cada grupo de simulación, identificando casos en los cuales el análisis de flujo desacoplado del problema mecánico puede no ser satisfactorio para la obtención de variables hidráulicas pretendidas. 1 INTRODUCCIÓN Desde los primeros estudios de flujo a través de medios porosos con saturación variable al final de la década de los 1960, métodos numéricos sofisticados y computadores de alta velocidad hicieron posible la simulación de flujo en sistemas hidrogeológicos por medio de diversos códigos computacionales. La principal hipótesis para el análisis de flujo de estas herramientas numéricas es que las tensiones totales permanecen constantes durante todo el proceso de flujo, de esta forma no es necesario conferir su equilibrio. Otra importante hipótesis es la eliminación de cualquier desplazamiento horizontal en el medio poroso por considerar que en las formaciones geológicas las dimensiones laterales son mucho mayores que sus espesores. Así, el proceso de flujo puede ser desacoplado del proceso mecánico dando origen a la ecuación de Richards que considera la carga de presión como única variable. La validez de las hipótesis antes mencionadas y de la ecuación de Richards son indiscutibles en la mayoría de problemas de flujo en la hidrogeología, sin embargo, existen problemas en los cuales su uso puede llevar a respuestas incorrectas o mal aproximadas. En los casos de pozos de extracción de aguas subterráneas, por ejemplo, el campo de deformación que se genera debido a una disminución en el nivel de agua puede interferir en el proceso de flujo modificando las propiedades hidráulicas del medio poroso. Estos cambios pueden ser significativos dependiendo del tipo de formación geológica y de la configuración del sistema acuífero. Los acuíferos son principalmente referidos

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R.J.Q. Quispe; C. Romanel; K.V. Bicalho (2011) Simulación de la extracción de aguas subterráneas por pozos de bombeo a través de análisis hidromecánicos acoplados y desacoplados in GEO2011. Ottawa, Ontario: Canadian Geotechnical Society.

@article{GEO11Paper735,author = R.J.Q. Quispe; C. Romanel; K.V. Bicalho ,title = Simulación de la extracción de aguas subterráneas por pozos de bombeo a través de análisis hidromecánicos acoplados y desacoplados ,year = 2011}