Curvas universales para la estimación de la infiltración en zanjas y excavaciones sostenidas con tablestacas o muros pantallas en terrenos anisótropos

[ESP] La interacción entre el flujo de agua subterránea y las estructuras de contención en excavaciones constituye un aspecto fundamental del diseño geotécnico. La correcta estimación del caudal de entrada es esencial para planificar sistemas de bombeo, evaluar gradientes hidráulicos y garantizar la estabilidad y seguridad de las obras. Esta tesis desarrolla un marco unificado y riguroso para la determinación del flujo de agua en excavaciones confinadas por muros pantalla, tablestacas o ataguías, abarcando escenarios realistas de gran complejidad geométrica e hidrogeológica. El trabajo se basa en la aplicación de la adimensionalización discriminada y normalizada de las ecuaciones de gobierno y de sus condiciones de contorno. Esta técnica permite identificar el conjunto mínimo y físicamente relevante de grupos adimensionales que gobiernan el problema hidráulico. Este método, proporciona un fundamento más sólido que el análisis dimensional clásico, especialmente en medios anisótropos y en configuraciones donde interactúan múltiples parámetros geométricos. Se demuestran, además, sus ventajas al reducir drásticamente el número de grupos independientes y simplificar la representación universal mediante curvas tipo. La tesis analiza de manera exhaustiva escenarios 2D en estado estacionario que representan excavaciones en terrenos tanto isótropos como anisótropos, soportadas por muros, considerando: i) extensiones del dominio finitas tanto en la dirección horizontal como en la vertical, determinando los criterios que establecen cuándo la geometría del dominio influye en el caudal y considerando; ii) escenarios en los que o la profundidad o la extensión horizontal o ambas actúan como longitudes que controlan el flujo y iii) escenarios de dos capas (bicapas) limitados geométricamente tanto por la longitud como por la profundidad. Para los casos anteriormente presentados se deducen los grupos adimensionales y se construyen curvas tipo universales que permiten estimar directamente el caudal de entrada, así como las longitudes características horizontal y vertical asociadas al flujo. Las curvas se obtienen mediante simulaciones numéricas de alta precisión utilizando MODFLOW, abarcando un rango amplio de valores físicos y geométricos y verificando rigurosamente la validez de los grupos deducidos. El trabajo culmina con la aplicación de las curvas tipo a un caso real: una zanja excavada de 400 m de longitud en un acuífero libre aluvial, demostrando que los caudales estimados mediante las curvas tipo coinciden con los medidos durante la obra. Esto valida la metodología como una herramienta directa, robusta y eficiente para la práctica ingenieril. Por lo tanto, la tesis aporta una formulación universal, aplicable a excavaciones en condiciones isótropas y anisótropas, monocapa o bicapa, con dominios finitos o infinitos, proporcionando un conjunto completo de curvas que facilitan una estimación rápida, precisa y fundamentada del caudal de descarga hacia excavaciones.[ENG] The interaction between groundwater flow and retaining structures in excavations constitutes a fundamental aspect of geotechnical design. Accurate estimation of inflow rates is essential for the planning of dewatering systems, the assessment of hydraulic gradients, and the assurance of structural stability and safety. This dissertation develops a unified and rigorous framework for determining groundwater flow into excavations confined by diaphragm walls, sheet piles, or cofferdams, encompassing realistic scenarios with high geometric and hydrogeological complexity. The study is based on the application of the discriminated and normalized nondimensionalization of the governing equations and their boundary conditions. This technique makes it possible to identify the minimum and physically meaningful set of dimensionless groups governing the hydraulic problem. The method provides a more robust theoretical foundation than classical dimensional analysis, particularly in anisotropic media and in configurations involving the interaction of multiple geometric parameters. Its advantages are further demonstrated by the substantial reduction in the number of independent dimensionless groups and by the simplification of the universal representation through type curves. The dissertation presents an exhaustive analysis of steady-state two-dimensional scenarios representing excavations in both isotropic and anisotropic soils supported by retaining walls, considering: (i) domains of finite extent in both the horizontal and vertical directions, establishing criteria to determine when domain geometry influences inflow rates; (ii) scenarios in which depth, horizontal extent, or both act as flow-controlling characteristic lengths; and (iii) geometrically bounded two-layer (bilayer) scenarios constrained by both length and depth. For the cases presented, the relevant dimensionless groups are derived and universal type curves are constructed, allowing direct estimation of inflow rates as well as the horizontal and vertical characteristic lengths associated with the flow. The curves are obtained through high-precision numerical simulations using MODFLOW, covering a wide range of physical and geometric parameters and rigorously verifying the validity of the derived dimensionless groups. The work concludes with the application of the type curves to a real case study: a 400 m long excavation trench in an unconfined alluvial aquifer. The inflow rates estimated using the proposed type curves are shown to be in close agreement with those measured during construction, thereby validating the methodology as a direct, robust, and efficient tool for engineering practice. Consequently, this dissertation provides a universal formulation applicable to excavations under isotropic and anisotropic conditions, in single-layer or two-layer systems, and within finite or infinite domains, delivering a comprehensive set of curves that enable rapid, accurate, and theoretically grounded estimation of groundwater discharge into excavations.

Author

• Navarro Carrasco, Salvador

• Flujo de agua subterránea
• Excavaciones
• Adimensionalización
• Curvas tipo
• Modelación hidrogeológica

Identifier

hdl:10317/25157

OAI identifier oai:identifier

oai:repositorio.upct.es:10317/25157