2 Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea
1. Ensayos Hidráulicos
Resumen
En la construcción de obras subterráneas, existe gran incertidumbre en el conocimiento hidrogeológico
de los terrenos montañosos, lo cual repercute en una estimación errónea del grado de afectación de los
recursos hídricos superficiales y subterráneos. Un ejemplo de esto, se encuentra en Colombia, el cual a
partir del desconocimiento geológico e hidrogeológico del macizo de la Cordillera Central Andina, con
un túnel de ~8.7 km, se generó una reducción de las corrientes superficiales y una infiltración máxima
de agua subterránea de 200 L/s en el macizo rocoso fracturado. Ante este panorama, se propuso realizar
un rastreo hidrogeológico forense, a partir de una campaña de ensayos hidráulicos (Packer Test, Slug
Test, Pulso, bombeo a caudal constante) en el interior del túnel, con el fin de cuantificar los parámetros
hidráulicos de las formaciones geológicas que cruza esta obra tan influyente para el país. Sus resultados
lograron establecer una caracterización hidráulica en 5 de 6 sectores del túnel, con una variación de cinco
ordenes de magnitud para la conductividad hidráulica (10-10 ~ 10-6 m/s) y un valor para el coeficiente de
almacenamiento de 10-3 clasificando al macizo como un medio de moderada a baja permeabilidad.Como
parte de esta investigación, a continuación se detallan los resultados de la caracterización hidráulica –
mediante ensayos hidráulicos especiales en el macizo fracturado del Túnel de La Línea – investigación
financiada totalmente por el INVÍAS1 y que son dedicados enteramente a este capítulo.
1 El Convenio Interadministrativo 659 de 2013 entre la Universidad Nacional de Colombia – Sede Bogotá y el Instituto Nacional de Vías – INVÍAS, surge de la iniciativa interinstitucional para aunar esfuerzos para el monitoreo de aguas subterráneas dentro del túnel de La Línea, con el fin de conocer las variables hidrogeológicas que permitan determinar el balance hídrico del sistema en el proyecto “Cruce de la Cordillera Central: Túneles del Segundo Centenario – Túnel de La Línea y segunda calzada Calarcá – Cajamarca, dentro del plan de acción ambiental y social PAAS-CAF y los requerimientos establecidos dentro de la licencia ambiental 780 de 2001”.
Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea 3
1.1 Localización de la zona de estudio
El proyecto “Cruce de la Cordillera Central” está localizado, en Colombia, entre los Departamentos del
Quindío y Tolima (Figura B - 1). Se trata de uno de los proyectos de infraestructura más importantes
para Colombia (corredor vial Bogotá – Buenaventura), el cual comunica el interior del país con el puerto
de Buenaventura y contempla dos objetivos principales: i) construcción de obras anexas (21 túneles
menores con una longitud combinada de 4.3 kilómetros; 23 viaductos, la ampliación a doble calzada de
23.73 kilómetros de la vía actual, la construcción de 18.57 kilómetros de vía nueva para formar un par
vial con la vía existente) [Jardín Botánico del Quindío y INVÍAS, -; MinTransporte et al., 2007] que reducen
en más de 14.8 km de afectación (carreteras, taludes, puentes, entre otros), zonas de ocupación de cauces,
reserva forestal, alta sismicidad, riesgo geológico y ii) cruce de la Cordillera Central con la construcción
de tres túneles viales de longitud superior a los 8 km (Figura B - 2). Detalles de la formulación del
proyecto pueden ser consultados en el ANEXO E.
Figura B - 1 Localización de la zona de estudio Proyecto “Cruce de la Cordillera Central”
Cordillera de los Andes
Cordillera Oriental
Cordillera Central
Cordillera Occidental
Corte A-A’
http://socialesjaiensec.blogspot.com.co/2013/07/orografia-de-colombia.html
Chiles
Galéras
Doña Juana Cerro Negro
Cumbal
Azufral Sotará
Cerro Pan de Azúcar
Puracé Huila
Cerro Machín
Tolima
Ruiz
Santa Isabel
Cerro Bravo
http://intranet.ingeominas.gov.co/pasto/images/e/ef/Volcanes_de_colombia.jpg
Cordillera Central
Volcán
Volcán Nevado Volcán Cerro
Machín
Departamento del Quindío
Departamento del Tolima
Túnel de La Línea
Zona del proyecto “Cruce de la Cordillera Central”
4 Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea
Figura B - 2 Fase I, II y III, Proyecto “Cruce de la Cordillera Central”
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)
Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea 5
1.2 Modelo conceptual
1.2.1 Geología
El macizo fracturado de La Línea en la Cordillera Central, está compuesto a partir de series de rocas
ígneo-metamórficas fracturadas y de diferentes edades que fueron identificadas durante la excavación
del Túnel Piloto. Particularmente para el Portal o Frente Quindío, situado al NW, corta una secuencia
metamórfica paleozoica volcano-sedimentaria correspondiente al Complejo Quebrada Grande, el cual
se pone en contacto mediante una zona amplia de fracturamiento denominada Falla Campanario, con
los materiales metamórficos sedimentarios de edad Cretácica del Grupo Cajamarca. Por otra parte, en
el Portal Tolima, situado al SE, la serie finaliza con una intrusión terciaria de pórfido andesítico.
En superficie, estos materiales se encuentran parcialmente cubiertos por depósitos no consolidados de
ceniza volcánica (Lapilli) del Cuaternario, la cual cubre más del 35% del área de influencia de la obra
[UNAL, 2009]. Con el cruce se identificaron seis sectores (Tabla B - 1) en los que el comportamiento
mecánico de la roca, litología de los materiales, características estructurales del macizo (rumbo,
buzamiento de diaclasas o zonas de influencia de falla) y cobertura rocosa sobre la clave del túnel, definen
las características geológicas, geotécnicas e hidrogeológicas del macizo (Figura B - 3). Detalles de la
descripción del proyecto e información geológica pueden ser consultados en el ANEXO F.
El esquema general de las estructuras encontradas en la zona de influencia del proyecto del Túnel de La
Línea, es característico de un ambiente geológico de esfuerzos compresivos relacionados con el Sistema
de Fallas del Romeral. Estructuralmente, el área se encuentra altamente fracturada con numerosas zonas
de falla que se agrupan en 2 familias: un primer grupo, con dirección N-S – de mayor relevancia en la
zona de estudio por sus condiciones hidráulicas – y un segundo grupo, de carácter secundario, de
dirección E-W.
Por su importancia estructural, se tienen las zonas de influencia a las fallas: La Gata, Galicia, El Portal,
El Viento, Alaska, La Vaca, La Soledad, La Estación y La Cristalina [UNAL, 2009]. Sin embargo, con
la inclusión y construcción del Túnel Principal, se identificaron durante su excavación, zonas adicionales,
no previstas en los estudios de referencia y excavación del Túnel Piloto (Figura B - 3) con alto
diaclasamiento, deformación apreciable y zonas de falla, las cuales fueron denominadas como: Falla el
Campanario, La Chinita, del Alto de la Línea y Los Chorros [DIS-EDL, 2013].
6 Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea
Tabla B - 1 Sectorización geológica Cordillera Central. Modificado de DIS-EDL [2014]
Sector Era/Periodo Nomenclatura Descripción Comportamiento Abscisa
Cobertura (m)
Min. Máx.
I
Cenozoico/ Cuaternario
Qsr Cenizas Volcánicas, suelos residuales y saprolitos.
En los primeros 50m, aparecen cenizas volcánicas, suelos residuales y saprolitos, luego se presentan diabasas y esquistos verdes (filitas) y metadiabasas foliadas con mineralizaciones y venas de cuarzo lechoso con clorita. Las diabasas y metadiabasas son ricas en plagioclasas, tienen clorita, epidota y calcita, los esquistos son cuarzocloríticos y cuarzosericiticos. Tramos de roca con bajo autosoporte, relacionadas con la zona de influencia de la falla La Gata, fueron reconocidos en los K0+060/070, K0+110/130, K0+330/345, K0+490/562, K0+640/810, K0+900/960.
K 0+000 – K 1+160
20 400
Mesozoico/ Cretácico
Kqv1
Unidad metamórfica del complejo Quebrada Grande Esquistos verdes cuarzo cloríticos.
II
Cenozoico/ Cuaternario
Qsr Cenizas Volcánicas, suelos residuales y saprolitos. Diabasas, basaltos, metadiabasas (filitas) esquistos verdes-
grisaceos, chert, metareniscas y lutitas (limolitas, lodolitas) con rellenos y mineralizaciones de cuarzo lechoso, clorita, carbonatos y trazas de pirita. Las grandes masas de volcanita están limitadas por escamas tectónicas de materiales y espesores variados; la presencia de esquistos (grises-negros) replegados; metalutitas, melange, gouge de falla y diques volcánicos, acompañados con espejos y estrías de fricción; se han asociado con fallas que caracterizan terrenos débiles. Las fallas y sus zonas de influencia como la de Alaska (K1+165/180, K1+210/230, K1+395/445) con una longitud de 55 metros, la del viento (K2+000-K2+070) de 70 metros y la vaca, parcialmente excavada (desde el K3+024) en unos 70 metros; caracterizan los materiales más débiles del sector, son franjas de rocas fracturadas y alteradas, con bajos valores de resistencias (UCS) y con comportamientos de deformación plástica.
K 1+160 – K 3+750
400 740
Mesozoico/ Cretácico
Kqv2
Unidad volcánica sedimentaria de diabasas y metadiabasas verdes y grises, parcialmente foliadas.
Mesozoico/ Cretácico
Kqs
Unidad volcánica sedimentaria de metadiabasas (filitas), chert, lutitas, areniscas, de composición cuarzosa.
Mesozoico/ Cretácico
Kqm Esquistos verdes cuarzo sericíticos con intercalaciones de cuarcitas grises.
Cenozoico/ - Tpad
Rocas volcánicas de pórfidos andesíticos, con cristales de plagioclasas, cuarzo y piroxenos con textura afanítica y dureza alta.
III
Cenozoico/ Cuaternario
Qsr Cenizas Volcánicas, suelos residuales y saprolitos.
En el sector se agruparon las zonas de influencia y los trazos de las fallas el campanario y la soledad, se considera el área de colisión frontal entre las rocas diabásicas (vulcanitas) y las continentales, gabro esquistosas. El sector incluye franjas de esquistos negros y grises replegados, esquistos grafitosos, diques de vulcanitas (andesitas, diabasas), zonas de melange con fragmentos rocosos subredondeados, los cuales están contenidos en una matriz de harinas (gouge) de falla blanda. Cizallas, repliegues, espejos y estrías de fricción, roca triturada, fueron las principales estructuras reconocidas a lo largo del tramo. El agua afloro en áreas de las intrusiones volcánicas.
K 3+750 - K 4+975
600 840
Mesozoico/ Cretácico
Kqs
Unidad volcánica sedimentaria de metadiabasas (filitas), chert, lutitas, areniscas, de composición cuarzosa.
Cenozoico/ - Tpad
Rocas volcánicas de pórfidos andesíticos, con cristales de plagioclasas, cuarzo y piroxenos con textura afanítica y dureza alta.
Paleozoico/ - Pzg
Gabros verdes y verdes grisáceos duros con textura gnéisica, de composición cuarzo micácea intercalados con algunos esquistos grises duros.
IV Paleozoico/ - Pzg
Gabros verdes y verdes grisáceos duros con textura gnéisica, de composición cuarzo micácea intercalados con algunos esquistos grises duros.
Sector de gabros y metagabros con textura nessica, de grano grueso de color gris-verdoso, de dureza alta, cuarzo micáceo con esporádicas intercalaciones de esquistos gris verdosos, cuarzo sericiticos, con bandas de cuarzo, epidota, sulfuros (pirita, calco pirita), minerales micáceos (biotita, Sericita, clorita) y carbonatos. La masa gabroide hacia el contacto con los esquistos grises ha sido afectada por un sistema de fallas denominado Los Chorros.
K 4+975 - K 6+515
305 600
V Paleozoico/ - Pzcc
Complejo Cajamarca, de esquistos verdes y cuarzo sericíticos de dureza alta intercalados con esquistos negros cuarzo grafitosos medio duros
En este sector se agruparon las unidades esquistosas, de composición cuarzo sericítica y clorítica intercalados con esquistos negros cuarzo grafitosos y grafitosos, los cuales han sido intruidos por diques de vulcanitas, venas de cuarzo lechoso y fluidos hidrotermales (pirita y calcopirita).
K 6+515 – K 8+185
90 350
VI Cenozoico/ - Tpad
Rocas volcánicas de pórfidos andesíticos, con cristales de plagioclasas, cuarzo y piroxenos con textura afanítica y dureza alta.
En el portal de túnel aparecen suelos residuales talus y saprolitos de color gris amarillento. Después de los 20m de profundidad aparecen pórfidos andesíticos grises de grano grueso, con fenocristales de plagioclasas, trazas de pirita y galena.
K 8+185 – K 8+654
20 143
Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea 7
Figura B - 3 Perfil geológico para el Cruce de la Cordillera Central, después de la excavación del Túnel II Centenario [DIS-EDL, 2014]
8 Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea
1.2.2 Hidrogeología
Modelo Conceptual:
Particularmente para el proyecto del “Cruce de la Cordillera Central”, el comportamiento del flujo que
presenta el macizo cristalino, el cual diverge de las divisoria de agua, está condicionado por la
interconexión de las redes de fracturas locales y regionales, con las zonas de recarga y descarga en
superficie de las vertientes que se encuentran en las cuencas hidrográficas de los Departamentos del
Tolima y Quindío (Figura B - 4) [UNAL y GIREH, 2009].
Figura B - 4 Flujo regional (líneas azules) en el macizo rocoso antes de la construcción del Túnel Piloto de La Línea. Tomado de UNAL y GIREH [2009]
Se destacan como zonas potenciales de recarga, los lugares topográficos altos en los que la precipitación2
y la red de fracturas, se encuentran interconectadas entre la superficie y parte subterránea de la cordillera,
definiendo sectores o unidades hidrogeológicas3. Estos sistemas fracturados se encuentran contiguos al
sistema de fallas de Romeral (Figura B - 5) y por evidencias hidroquímicas entre las aguas de superficie
e infiltradas, se correlaciona su conexión [UNAL y GIREH, 2009]. Dado lo anterior, se puede inferir
2 La precipitación se estima que es del orden de 1.650 mm en el Departamento del Tolima y 2.050 mm en el Departamento del Quindío [IRENA, 2007a]. Sin embargo, la insuficiencia de registros hidrometereológicos, no permite brindar una estimación adecuada para el valor de recarga en el macizo cristalino. En la actualidad, a partir del Convenio Interadministrativo 1500 de 2013 entre Cortolima e INVÍAS y el Convenio 659 de 2013 entre la Universidad Nacional de Colombia - Sede Bogotá e INVÍAS, se diseñó y emplazó una red de monitoreo hidrometereológica que permite realizar un seguimiento a estas variables climatológicas, se destaca que su diseño sigue los estándares internacionales y los equipos instalados de última generación para el monitoreo. 3 La clasificación de Unidades Hidroestratigráficas o Hidrogeológicas es realizada a partir del tipo de porosidad presente y litología de la roca. Destacando de la clasificación Grupo I: Acuíferos en los cuales la porosidad principal es intergranular (porosidad primaria), Grupo II: Acuíferos en rocas consolidadas con porosidad primaria y fisurados con porosidad secundaria o carstificados, Grupo III. Rocas granulares o fisuradas que forman acuíferos insignificantes por porosidad primaria con recursos limitados o sin recursos [Vargas, 2001]. Para la zona de influencia al proyecto “Cruce de la Cordillera Central”, la litología de las rocas da como clasificación el Grupo III, pues el macizo cristalino está compuesto por rocas de complejos ígneo-metamórficos altamente fracturados, los cuales tienen importancia por porosidad secundaria y desarrollan acuíferos menores o con recursos locales debido a la tectónica local.
Secuencia de metadiabasa, metalutitas, meta-areniscas Esquistos verdes
Areniscas cuarcíticas poco
fracturadas
Metadiabasas verdes y grises foliadas
Esquistos anfibolíticos verdes
Esquistos negros
Gabro foliado
Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea 9
que el principal medio de recarga del macizo cristalino, es dado por el sistema de fallas a la zona de
influencia al proyecto.
Para las zonas de descarga, se identifican los lugares bajos que presentan manantiales o nacimientos que
son generados por afloramientos de las estructuras geológicas fracturadas – las cuales funcionan como
conductos o vías preferentes en las que fluye el agua – o por contactos de materiales con propiedades
hidráulicas (permeabilidad) diferentes. Estas zonas de fracturamiento, controlan la formación de
manantiales o generan barreras hidráulicas al movimiento del agua subterránea y obligan a que ésta sea
descargada en la superficie, lo que se traduce en una zona caracterizada por una gran riqueza de
afloramientos superficiales [UNAL y GIREH, 2009].
Figura B - 5 Diagrama de bloque y sistemas de fallas a escala regional. Tomado de UNAL [2009]
10 Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea
Durante la exploración del Túnel Piloto, se identificaron los efectos de metamorfismo dinámico,
plegamientos y levantamientos que sufrió la Cordillera Central, generando zonas de brechamiento,
milonitización de la roca y fuerte tectonismo asociadas al alto diaclasamiento de las rocas aledañas a las
fallas. Esta circunstancia ha dado lugar a que algunas de estas estructuras – influenciadas por su
porosidad secundaria – sean altamente conductivas desde el punto de vista hidráulico, por lo que la
perforación del Túnel de Rescate, ha modificado sustancialmente el comportamiento hidrogeológico del
macizo (Figura B - 6). Un ejemplo de ello, son los datos de caudales de infiltración obtenidos tras la
perforación del Túnel Piloto (Fotografía B - 1 y Figura B - 7) en el que se midieron caudales pico de 70
L/s en el Portal Tolima y 140 L/s en el Portal Quindío, respectivamente, para dar un total acumulado
de aproximadamente 200 L/s en un mismo instante de tiempo [IRENA, 2007a].
Figura B - 6 Flujo regional en el macizo rocoso después de la construcción del Túnel Piloto de La Línea. Modificado de UNAL y GIREH [2009]
a) b)
Fotografía B - 1 Agua subterránea infiltrada en el Túnel de Rescate (Piloto), a) Registro año 2007 con un ~ Q (40 L/s) [IRENA, 2007a], b) Registro año 2014 ~ Q (140 L/s)
Secuencia de metadiabasa, metalutitas, meta-areniscas
Esquistos verdes Areniscas cuarcíticas poco
fracturadas
Metadiabasas verdes y grises foliadas
Esquistos anfibolíticos verdes
Esquistos negros Gabro foliado
Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea 11
a)
b)
Figura B - 7 Caudales de infiltración medidos en el Túnel Piloto. (a) Frente Quindío. (b) Frente Tolima.
Modificado de IRENA [2007a]4
4 Los datos hidrogeológicos y geotécnicos han sido proporcionados por el Ing. Juan Carlos Escobar de la Gerencia y Dirección Técnica de Irena S.A.S. y extraídos del informe de IRENA [2007a]
11/01/2007 - 139 L/s
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0
20
40
60
80
100
120
140
160
15/
05/
2005
15/
09/
2005
15/
01/
2006
15/
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2007
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05/
2007
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2007
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2008
15/
05/
2008
15/
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2008
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TIEMPO [DÍA/MES/AÑO]
Flujo observado en el portalAvance de la excavación
12/09/2006 - 62 L/s
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0
10
20
30
40
50
60
70
80
14/
01/
2005
14/
05/
2005
14/
09/
2005
14/
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2006
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14/
09/
2006
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2007
14/
05/
2007
14/
09/
2007
14/
01/
2008
AV
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D
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XC
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[L
/S
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TIEMPO [DÍA/MES/AÑO]
Flujo observado en el portalAvance de la excavación
12 Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea
Modelos numéricos:
Durante más de una década, se han realizado diferentes estudios hidrogeológicos para el proyecto
“Cruce de la Cordillera Central”. Entre ellos están Consorcio La Línea [2000], IRENA [2007b; 2010],
UNAL y GIREH [2009; 2013] los cuales establecen una caracterización hidrogeológica general, desde
la parte numérica, analítica y de campo, pero la limitación de información, suposiciones empleadas,
simplificaciones realizadas y pruebas de campo insuficientes5, condicionan sus resultados.
Particularmente para la parte numérica, se han realizado cinco modelos numéricos (Figura B - 8) para el
proyecto del “Cruce de la Cordillera Central”, simulando uno, dos y hasta tres túneles. Cabe destacar
que tres modelos fueron en 3D, empleando el software Visual MODFLOW [Consorcio La Línea, 2000;
IRENA, 2007a] y MODFLOW [IRENA, 2010] y dos modelos en 2D, el primero en MODFLOW
[UNAL y GIREH, 2009] y el segundo en Hydrus [UNAL y GIREH, 2013]6.
Los modelos, emplearon algunas configuraciones en las condiciones de contorno, valores de recarga,
escenarios de excavación, fuentes superficiales (ríos, quebradas, etc.), DEM, geometría con distribución
de capas horizontales o verticales o refinación en zonas de influencia de falla en la malla, etc. Sin
embargo, todas estas configuraciones tenían varias cosas en común. A continuación, se detallan las
principales:
Asignación de sectores del modelo con parámetros hidráulicos (conductividad hidráulica – K,
coeficiente de almacenamiento especifico – Ss) homogéneos (medio isótropo) y con cuantiosa
incertidumbre, al no tener pruebas hidráulicas en campo suficientes y limitando el cálculo con la
asignación de valores de la literatura.
Ningún modelo evaluó el comportamiento del flujo a través de fracturas7, simplificando el medio
cristalino como un medio poroso equivalente (MPE) con zonas de alta o baja permeabilidad8.
5 IRENA [2007a], consolidó una tabla con la longitud promedio de los 19 sondeos de caracterización geológica realizados en superficie (piezómetros), los cuales 2 llegaron hasta el techo del túnel (cercanos a los portales). Al dar revisión, se encontró que INGETEC [1985] al igual que Consorcio La Línea [2000], reportaron niveles freáticos promedio de 30 a 100 m de profundidad. Se realizaron ensayos lugeon (permeabilidad), pero con el tiempo se han perdido los registros e interpretaciones, solo se conservan cuatro registros. 6 El software Visual MODFLOW o MODFLOW, emplea en su solución el esquema por diferencias finitas y el software Hydrus, elementos finitos. Ninguno de estos, evalúa el comportamiento del flujo con fracturas (modelo discreto o modelo hibrido), sin embargo, hacen la simplificación con zonas de alta conductividad (modelo poroso equivalente). 7 Se detalla en todos los modelos que al no tener matemáticamente un módulo o función que analice el flujo a través de fracturas, se realizó la simplificación de definir zonas con altas o bajas conductividades en los elementos o celdas seleccionadas. 8 En la actualidad, con los nuevos avances computacionales, se ha desarrollado una mejor aproximación para este tipo de problemas, al incluir un enfoque de modelación denominado Combined Discrete-Continum - CDC (Hybrid approch) o en español, aproximación de modelación hibrida entre un modelo discreto continuo y
Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea 13
No se considera una refinación local en función de los avances de excavación de los túneles o
incluso de la geometría (sección transversal) de cada túnel. Simplemente, se cuantifican los
caudales de infiltración con avances prolongados (de cientos de metros a kilómetros) de
excavación en instantes de tiempo (días), lo cual no es cierto y debe estar en función de la
resistencia de la roca, imprevistos generados, método constructivo empleado, etc., ya que la carga
hidráulica está estrechamente relacionada con la discretización y avances empleados en la
configuración del modelo [Anagnostou, 1995], de lo contrario, se tendrán estimaciones no acordes
a la realidad.
Se realiza un cálculo de recarga a partir de los pocos registros hidrometereológicos disponibles en
la zona de proyecto. Sin embargo, estas aproximaciones subestiman las tasas de recarga de la
cordillera, ya que no existe un monitoreo continuo para emplear en los balances hídricos de la
zona.
Se calculan caudales de infiltración erróneos, ya que no se detallan los picos de caudales o flujos
presentes en las zonas de influencia más conductivas ante la acumulación del flujo en el tiempo9.
Por lo general para cada modelo, no se realiza un análisis de incertidumbre con la distribución de
caudales medidos en campo o modelación inversa que permita dar un intervalo de confianza a los
parámetros hidráulicos. La UNAL y GIREH [2009] da una primera aproximación de intervalos
de conductividad hidráulica, en función de los caudales medidos en las zonas de influencia de
falla, empelando soluciones analíticas en estado estacionario o permanente, pero su estimación
no se puede correlacionar o extrapolar para todo el macizo, ya que su cuantificación es local.
equivalente. Este modelo utiliza el método de discretización FEM (Finite Element Method), ya que permite la combinación de elementos de una, dos, y tres dimensiones [Király, 1975; 1985; 1988; Király y Morel, 1976a; Maryška et al., 2004] y los elementos finitos unidimensionales que pueden simular redes de fracturas o canales de karst de alta conductividad, los cuales integran una matriz de baja permeabilidad representada por elementos tridimensionales. Del mismo modo, la aplicación y uso de elementos bidimensionales hace posible, la simulación de fracturas y zonas de fallas. Alternativas para modelar esta tipología de problemas son los software: VISUALTRANSIN [UPC-Hydrogeology-Group, 2008], FEFLOW ® [DHI-WASY, 2013], Flow 123D [Liberec, 2015], entre otros. 9 Será tratado en detalle en el CAPITULO II y III. Conocer el aporte local de flujos de infiltración en zonas bastante permeables (medio poroso o fracturado) permite indicarle al constructor, las acciones a realizar para despresurizar o desviar el flujo de entrada al túnel. Es de vital importancia comprender las salidas y configuraciones del modelo, ya que estás condicionan las futuras inversiones a realizar durante la construcción, operación y mantenimiento de la obra subterránea.
14 Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea
a) Modelo I: Hidrogeocol [2000]
b) Modelo II: IRENA [2007a]
c) Modelo III:UNAL y GIREH [2009]
d) Modelo IV:IRENA [2010]
e) Modelo V: UNAL y GIREH [2013]
Figura B - 8 Modelos numéricos presentados para el proyecto “Cruce de la Cordillera Central”, a) Modelo 3D por diferencias finitas [Hidrogeocol, 2000], se modela el Túnel Piloto con información secundaria y escenarios de excavación, b) Modelo en 3D por diferencias finitas [IRENA, 2007a], se incorpora la geometría geológica con la excavación del Túnel Piloto y se realiza un modelo a nivel regional con escenarios, c) Modelo en 3D por diferencias finitas [IRENA, 2010], se actualiza el modelo del 2007 y se realiza un modelo a escala local (Túnel Piloto) y a escala regional con escenarios de excavación, d) Modelo en 2D por diferencias finitas [UNAL y GIREH, 2009], se emplean formulaciones analíticas en estado transitorio (Goodman, Karlsrud, Rat) para estimar los valores de K al fijar sus valores de porosidad y comparar los caudales reportados en las fallas, se modela con estos valores, tres escenarios un túnel, dos túneles, tres túneles, e) Modelo en 2D por elementos finitos [UNAL y GIREH, 2013], toma los valores de los parámetros hidráulicos del 2009 y realiza cinco escenarios para evaluar los intervalos de los parámetros calculados en modelos separados para el Túnel Piloto, Túnel II Centenario y futuro 3er túnel.
Q ~ 500 l/s
Q ~ 350 l/s
Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea 15
1.3 Ensayos hidráulicos especiales en el macizo fracturado del Túnel de La Línea
1.3.1 Planificación de los trabajos
Para definir el comportamiento del flujo de infiltración durante la excavación de un túnel, es necesario
apoyarse en modelos analíticos o numéricos disponibles. Sin embargo, una estimación, extrapolación y
asignación errónea de los parámetros hidráulicos (Transmisividad – T, Coeficiente de almacenamiento
– S, Conductividad hidráulica – K) puede generar resultados no consistentes con el flujo que puede
presentarse durante la excavación. Un ejemplo de lo anterior, son los modelos numéricos
tridimensionales elaborados para el Túnel de La Línea (ANEXO D) los cuales emplearon parámetros
hidráulicos de la literatura y realizaron simplificaciones e interpretaciones acordes con la poca
información geotécnica, geológica, hidrológica e hidrogeológica, dan como resultado, una variación del
37 % en la estimación del caudal máximo infiltrado en la fase de operación y construcción de los dos
túneles [UNAL y GIREH, 2009].
Dado lo anterior, con el impacto técnico, social, ambiental, económico y en especial hidrogeológico del
proyecto “Cruce de la Cordillera Central”, se estructuró conjuntamente con el INVIAS, un proyecto de
caracterización hidrogeológica del macizo, con el desarrollo de una campaña de ensayos hidráulicos al
interior del Túnel Principal, definida en dos fases: FASE – I: Campaña de perforación de sondeos y FASE –
II: Campaña de Ensayos Hidráulicos.
Para la FASE I10, se identificaron y referenciaron en un plano de perfil, los puntos o zonas de mayor
infiltración de agua en el Túnel Piloto y Principal, definidos por goteos, infiltración moderada a critica
de agua subterránea durante la excavación o zonas de influencia de falla y fracturamiento considerable
con presencia de agua11. Seguido a esto, se perforaron treinta (30) pozos (sondeos sencillos y dobles
separados por 2 m), con una inclinación promedio de 15° a 50° sobre la horizontal, una longitud
10 Se contó con la asesoría de la Interventoría CONSORCIO DIS S.A - E.D.L LTDA (Geólogo Carlos Rivera y el Ingeniero Residente Carlos Mario Rosas). 11 Los sondeos fueron perforados al interior del Túnel Principal y no en superficie, dadas las siguientes consideraciones: i) las condiciones topográficas y sus accesos limitados en superficie limitan los trabajos, no se dispone de un licencia ambiental para realizar las perforaciones, ii) baja probabilidad de encontrar un nivel freático superficial, pues se sabe que existe una afectación del régimen subterráneo en el macizo por la construcción de los túneles, lo cual repercutía en la ejecución de perforaciones más profundas, iii) gran incertidumbre con la conexión desde superficie y las descargas al interior de las obras, iv) interés por caracterizar hidráulicamente todas las formaciones geológicas con sondeos cortos y una carga hidráulica y presión representativa para los ensayos de interferencia en el medio fracturado, iv) financiamiento limitado para la perforación de sondeos profundos en superficie y adquisición de equipos más costosos para la campaña de ensayos hidráulicos.
16 Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea
promedio de cada sondeo de 8 a 15 m, en diámetro HQ (95.6 mm) y reperforado en diámetro PQ (122
mm), para incluir el revestimiento de 4 pulgadas en PVC. En total se perforaron 480 m al interior del
Túnel Principal12 (Figura B - 9) una vez finalizada la Fase I, se procedió a registrar: (i) Los metros útiles
perforados, (ii) Los metros perdidos, (iii) La longitud del revestimiento, (iv) La longitud de la perforación,
(v) El nivel del agua subterránea, etc., (Tabla B - 2) Detalles de los trabajos de perforación se encuentran
descritos en el ANEXO G.
ESQUEMA GENERAL DE LA PERFORACIÓN
LOCALIZACIÓN DE LOS SONDEOS
ESQUEMA DEL SONDEO SIMPLE ESQUEMA DEL SONDEO DOBLE
Figura B - 9 Esquema general y ubicación de los sondeos de exploración al interior del Túnel Principal
12 Las treinta perforaciones fueron realizadas al costado derecho del Túnel Principal, exceptuando tres, ya que por recomendaciones de la interventoría y el Constructor, los pozos no podían interferir con las obras de construcción y movilización de maquinaria que se empleaba para la excavación, tanto en el Túnel Piloto y Principal.
Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea 17
Tabla B - 2 Resumen técnico de los pozos realizados en el Túnel de La Línea
18 Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea
Seguido a esto, se realizó la revisión de la estructura o estabilidad del pozo y el monitoreo del nivel
piezométrico. No se contó con una referencia topográfica (cota absoluta m.s.n.m.) para el nivel
piezométrico de cada pozo. Por tanto, fue necesario medir manualmente desde el punto de entrada
(emboquille) de cada sondeo, con ayuda de una sonda de nivel, emplear expresiones matemáticas para
correlacionar la geometría del problema, y así obtener el valor real de profundidad del nivel piezométrico
(NP), ecuaciones (1.1) y (1.2). Se tomó como valor de profundidad 0 m, el nivel del agua presente en la
boca del sondeo o pared del túnel y se clasificó como sondeo surgente o nivel positivo (+), cuando el
nivel piezométrico se encontraba por encima de la boca del sondeo y no surgente o nivel negativo (-),
cuando el nivel piezométrico se encontraba por debajo de la boca del sondeo (Figura B - 10).
, sin* EF (1.1)
donde, F es la profundidad del NP desde emboquille (m), E la distancia nivel desde emboquille (m)
y α el ángulo de inclinación del sondeo (º)
, sin*D -FG (1.2)
donde, G es la profundidad del NP desde la pared del túnel (m), F la profundidad del NP desde
emboquille (m) y D la longitud emboquille (m)
Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea 19
Figura B - 10 Referencia del nivel piezométrico (NP)
20 Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea
1.3.2 Campaña de ensayos hidráulicos
En la campaña de ensayos hidráulicos del proyecto del “Cruce de la Cordillera Central” se presentaron
distintos inconvenientes que no permitieron caracterizar hidráulicamente todos los sectores del Túnel
Principal13. Al inicio de la campaña de perforaciones, los primeros tres pozos (UN-01, UN-02 y UN-03)
colapsaron a los 2 o 3 días, debido a la inestabilidad inherente a las zonas de falla que se habían elegido
y perforado para conocer su comportamiento hidrogeológico, lo cual repercutió en el cambio del diseño
del pozo, ya que de los 12 a 15 m perforados, el revestimiento en PVC de 2 m fue taponado y los equipos
no podían ingresar.
Para garantizar la estabilidad del pozo, se decide: i) prolongar el revestimiento a mínimo seis (6) metros
y dejar en adelante una distancia susceptible (3 ~ 4 m) al derrumbe para que actué de filtro y tenga una
aumento de la presión hidrostática al final del sondeo, ii) aumentar el ángulo de inclinación del pozo
para distribuir adecuadamente la carga del material con y sin revestimiento, iii) elegir zonas cercanas al
punto de monitoreo con fracturamiento moderado, con apoyo del geólogo de la Interventoría, pero fue
complicado de realizar, ya que el túnel presentaba el revestimiento primario (capa de 5 ~ 10 cm de
shotcrete) y no fue fácil identificar estas zonas, iv) cementar el emboquille para evitar perdida de presión.
Sin embargo, los sondeos UN-17, UN-17 A y UN-18, se derrumbaron debido a la gran inestabilidad y
material fino de la metarenisca encontrada. Detalles adicionales de la FASE I, pueden ser consultados
en el ANEXO G.
Otros inconvenientes durante la FASE I y II, se presentaron con los contratistas asignados por el
constructor (UTSC) del Túnel Principal que comprometieron la integridad de los sondeos y de la
campaña14 (Fotografía B - 2). Se solicitó una reunión con la Interventoría, la UTSC, el INVÍAS y la
UNAL para informar de los inconvenientes presentados y de los cuidados y recomendaciones que debía
tener el personal a cargo por el constructor de la infraestructura que la Universidad emplazaba con los
13 Se destaca que al inicio de la FASE I, se presentó una reubicación de los sondeos UN-01, UN-02 y UN-03, pues en el sector del Portal Tolima del Túnel Principal contaba con un revestimiento final del túnel de 1 km de longitud y la Interventoría y constructor (UTSC), no permitieron perforar el acabado final del Túnel, ya que atentaría con la integridad estructural y de impermeabilización de la obra subterránea. 14 Las dificultades encontradas fueron: (i) Acumulación de grandes volúmenes de material de rezaga (material de excavación) junto o encima del sondeo, generando su taponamiento o sellado y no acceso al pozo para el monitoreo, (ii) Rotura de la tubería de PVC dejada en el exterior del sondeo para señalización y subida de la carga hidráulica, generando despresurización del volumen almacenado y desconocimiento del nivel piezométrico para la prueba, (iii)Actividades constructivas sobre el sondeo, generando su sellamiento, un ejemplo de esto es la fundición de la viga base con los sondeos, generando un cambio de inclinación de la tubería exterior, rotura del sellado entre la pared del túnel y la tubería de PVC y taponamiento con concreto al interior del mismo.
Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea 21
recursos del INVÍAS para el monitoreo hidrogeológico del Túnel. Lo anterior, fue considerado y
quedaron disponibles para el monitoreo 22 sondeos de los 30 construidos.
Para la FASE II, se planeó realizar 21 ensayos hidráulicos (ensayos a sondeo único y ensayos de
interferencia) acordes con las condiciones de infiltración que se presentaron durante la excavación del
Túnel Piloto (Figura B - 7), la geología reportada para la fase de exploración de la cordillera (Figura B -
3) y la identificación durante los frentes de obras de formaciones geológicas más transmisivas
(productoras de agua) y alto grado de fracturamiento de la roca o zona de influencia de falla. En la Tabla
B - 3, se tiene una síntesis del tipo de ensayo y formación a caracterizar. Sin embargo, la localización y
el comportamiento hidráulico (surgentes, no surgentes) de los 22 sondeos disponibles de la FASE I,
incidió en replantear y modificar los ensayos y equipos previamente definidos en la campaña, con la
inclusión de equipamiento adicional para realizar ensayos tipo Slug o cuchareo y ensayos de extracción
finita o caudal constante. A continuación, se muestra una descripción general de los ensayos realizados
durante la FASE II.
Tabla B - 3 Ensayos hidráulicos previstos al interior del Túnel Principal. Modificado de AITEMIN [2013]
Tipo de ensayo hidráulico No. Ensayos hidráulicos
Ensayo de interferencia en formaciones altamente transmisivas (Fallas de La Vaca, Los Chorros, Cristalina, La Gata y zona de metarenitas)
5
Ensayo a sondeo único en formaciones altamente transmisivas (Fallas de Galicia, Alaska, El Viento, Portal, Estación y complejo de fracturas Campanario-La Soledad)
6
Ensayos a sondeo único en formaciones de transmisividad media (Grupo Cajamarca (Pórfido Dacítico y esquistos negros) Grupo Quebrada grande (esquistos verdes y metadiabasas)
5
Ensayo a sondeo único en formaciones encajantes (formaciones y estructuras de mayor envergadura)
5
22 Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea
Fotografía B - 2 Inconvenientes presentados durante la FASE – I: Campaña de perforación de sondeos y FASE – II: Campaña de Ensayos Hidráulicos.
Sondeo
Rezaga
Rezaga
Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea 23
Ensayos a sondeo único:
Este ensayo consiste en introducir un obturador (packer) dentro del sondeo y obstruir la zona de interés
(zona de fracturamiento o formación transmisiva). Posterior a esto, se deja que se estabilice la presión
hidrostática y se da inicio con la prueba, al permitir la salida del agua con la apertura de una válvula que
influye en el descenso del nivel o despresurización de la formación, esto puede tomar entre 1 a 2 horas.
Durante los descensos de la presión, se registra el caudal de extracción con un caudalímetro, la presión
con un sensor de presión y posterior a esto, su recuperación con un registrador de nivel (Diver)
[AITEMIN, 2013]. Este ensayo obtiene el valor de conductividad hidráulica (K) del tramo ensayado
(Fotografía B - 3).
Fotografía B - 3 Ensayos a sondeo único
Ensayos de interferencia:
Los ensayos de interferencia siguen la misma configuración del ensayo a sondeo único, pero se obtura
en dos puntos (un pozo y un piezómetro). Con este tipo de ensayos se pueden obtener valores de
conductividad hidráulica (K) y coeficiente de almacenamiento (S). Estos ensayos tienen la particularidad
de ser ensayos de mayor duración y caracterizar formaciones acuíferas de media a alta permeabilidad (K
>10-6 m/s). Para obtener los parámetros, desde el punto de ensayo (pozo), se da apertura de la válvula
y se extrae el agua hasta provocar un abatimiento del nivel piezométrico del punto de observación
(piezómetro). Como estos ensayos emplean bastante tiempo, suelen realizarse con escalones de caudal,
pero depende de los parámetros hidráulicos de la formación y que tan cerca se encuentre el pozo del
punto de observación (Fotografía B - 4) [AITEMIN, 2013].
24 Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea
Fotografía B - 4 Ensayo de interferencia
Ensayos de extracción finita o de bombeo con caudal constante:
Este ensayo consiste en extraer desde superficie con una bomba, sumergible (eléctrica o neumática) o
de aspiración, el agua almacenada en el sondeo, se recomienda que sea por gravedad (para aprovechar la
presión hidrostática existente sobre el sondeo), hasta provocar un descenso del nivel piezométrico con
un caudal constante durante un tiempo definido, seguido a esto se deja recuperar el nivel, hasta su
posición inicial. Esta tipología de ensayos por lo general, emplea grandes cantidades de agua (decenas a
miles de litros) dependiendo del almacenamiento que tenga la formación. Por tanto, se pueden emplear
para caracterizar formaciones acuíferas de media y alta permeabilidad (K >10-6 m/s) y su radio de
influencia dependerá del tiempo y propiedades hidráulicas del medio (Fotografía B - 5) [AITEMIN,
2013].
Fotografía B - 5 Ensayo de extracción finita o con bombeo a caudal constante
Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea 25
Ensayo de Slug o cuchareo:
Los ensayos de Slug o cuchareo, consisten en extraer un volumen finito de agua en un instante de tiempo
que genera un descenso del nivel piezométrico en la formación. Seguido a esto, se cuantifica su
recuperación en el tiempo, hasta su nivel inicial a presión atmosférica. Estos ensayos son muy útiles para
caracterizar formaciones acuíferas de media a baja permeabilidad (10-6 m/s < K <10-9 m/s), pues emplea
volúmenes finitos de agua (entre centenas de mililitros a decenas de litros) y sus radios de influencia
suelen ser pequeños (Fotografía B - 6) [AITEMIN, 2013].
Fotografía B - 6 Ensayo de Slug o cuchareo
Ensayo de Pulso:
Este tipo de ensayos mantienen la misma configuración de los ensayos tipo Slug, con la diferencia que
la recuperación del nivel piezométrico está en función de la presión de la formación y no atmosférica.
Estos ensayos son complejos de realizar (por los bajos volúmenes de agua que emplea (unos pocos
mililitros a 1 o 2 litros) y pueden generar diferencias en el cálculo de la transmisividad) y de interpretar
(si los tramos de estudio no se encuentran independizados y hay aportes de presión de otras fracturas o
incluso de la atmosfera), pero pueden caracterizar formaciones acuíferas de baja o muy baja
permeabilidad (K<10-9 m/s) (Fotografía B - 7) [AITEMIN, 2013].
Fotografía B - 7 Ensayo de pulso
26 Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea
En síntesis, de los 22 sondeos disponibles de la FASE I, fue posible realizar un total de 28 ensayos
hidráulicos, de los cuales 19 ensayos fueron válidos para su interpretación, ya que presentaron problemas
de taponamiento, no hubo descenso del nivel piezométrico, se tiene una recuperación instantánea, difícil
ajuste y control del caudal de extracción, el sondeo no tiene suficiente presión, etc. En la Tabla B - 4 se
puede evidenciar las características generales de los ensayos realizados. Cabe destacar que los ensayos
que mejor caracterizaron estos sitios fueron tipo Slug (14 ensayos) e interferencia (5 ensayos), donde un
ensayo de interferencia pudo ser válido para obtener un coeficiente de almacenamiento de la formación
de interés, debido a que el punto de observación estaba a 2 m.
1.4 Análisis e interpretación de resultados
Para la interpretación y análisis de los 19 ensayos hidráulicos, se consideró como positivo el descenso
generado por la prueba (NP inicial menos el NP al final de la extracción), indistintamente se encontrara
por encima o por debajo del nivel de referencia. Particularmente para los sondeos surgentes con baja
presión hidrostática, fue necesario obturarlos y registrar con un sensor de presión, el nivel piezométrico
real y así ejecutar la prueba. Respecto a los sondeos no surgentes (e incluso algunos surgentes), las
características constructivas del sondeo, vías preferentes de flujo y descarga en cotas inferiores del punto
de referencia o conexión entre fracturas cercanas al sondeo (generadas por la zona plástica de la
perforación del Túnel, sondeo UN-05, UN-13 y UN-14) y un defectuoso cementante en el emboquille
(concretamente en los sondeos UN-06, UN-09, UN-11, UN-15 y UN-26), dieron lugar a que el nivel no
alcanzara su nivel de referencia (con la obturación y extracción del volumen de agua con el bombeo,
sondeo UN-04) dejando registros incompletos de la recuperación o estabilización del nivel piezométrico.
No obstante, en algunos casos la interpretación fue posible realizarla, ya que se conocía previamente el
nivel piezométrico de la formación una vez finalizada la perforación y se encontraba ya estabilizado antes
de realizar el ensayo (Fotografía B - 8).
Fotografía B - 8 Izq. Descarga de un sondeo a cota inferior debido a la retira del tubo de PVC, der. Rezume de agua en el emboquille de un sondeo por la defectuosa cementación, genera despresurización.
Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea 27
Tabla B - 4 Ensayos Hidráulicos realizados en el Túnel Principal
Sondeo Longitud perforada
(m)
Prof. nivel en el sondeo
(m)
Tramo de ensayo (m)
Prof. nivel antes del ensayo (m) (*)
Espesor saturado
(m) Tipo de ensayo realizado
Volumen extraído (litros)
Variación (descenso)
máxima generada (m)
¿Ensayo válido?
Observaciones
UN-01 15 Seco -- -- -- -- -- -- -- Sondeo derrumbado.
UN-02 12 Seco -- -- -- -- -- -- -- Sondeo derrumbado.
UN-03 15 Seco -- -- -- -- -- -- -- Sondeo derrumbado.
UN-04 10 Boca de tubo 0.00 - 10.00 1 10 Bombeo extracción 1256.65 -- No
El nivel desciende muy poco durante el ensayo.
0.00 - 10.00 1 10 Slug extracción 2.16 0.27 No El nivel se recupera instantáneamente tras la extracción.
UN-05 9 Boca de tubo
7.50 - 9.00 1.38 1.5 Bombeo extracción 1 12.12 -- No
La presión inicial no es suficiente para realizar un bombeo de extracción, mediante la simple apertura de la válvula que cierra el tramo del ensayo.
7.50 - 9.00 1.38 1.5 Bombeo extracción 2 27.85 -- No
La presión inicial no es suficiente para realizar un bombeo de extracción, mediante la simple apertura de la válvula que cierra el tramo del ensayo.
0.00 - 9.00 0.88 9 Slug extracción 39.9 5.08 Si -
UN-06 10 0 0.00 - 10.00 0.21 10 Slug extracción 18.4 2.34 Si -
UN-07 10 0 0.00 - 10.00 0.07 10 Punto observación de UN-
08 17.3 0.22 Si -
UN-08 10 0 0.00 - 10.00 -0.03 9.97 Slug extracción (Punto
extracción) 17.1 2.18 Si Punto de observación en UN-07.
UN-09 10 50 0.00 - 10.00 0.2 10 Slug extracción 15 1.91 Si -
UN-10 10 -50 0.00 - 10.00 0.25 10
Slug extracción 1 15.8 2.01 Si -
Slug extracción 2 21.6 2.75 No Tras el ensayo solo se registra el 10% de la curva de recuperación por falta de batería en el datalogger.
UN-11 10 -40 0.00 - 10.00 -0.14 9.86 Slug extracción 14.2 1.81 Si -
UN-12 5 Seco -- -- -- -- -- -- -- Sondeo realizado con una inclinación de -4º para despresurizar la zona, por acuerdo entre UNAL y UTSC.
UN-13 10 -100 0.00 - 10.00 0.04 10 Punto de Observación de
UN-14 0 -- No
No se observa descenso del nivel. Se constata posteriormente que el sondeo está tapado a los 5.7 m de profundidad.
UN-14 10 -95 0.00 - 10.00 -0.07 9.93
Interferencia (Punto de extracción)
-- -- No Se observa que el sondeo está tapado a los 5.5 m de profundidad. Punto de observación en UN-13.
Slug extracción 5.88 0.75 No Se observa que el sondeo está tapado a los 5.5 m de profundidad, por lo que el nivel no recupera normalmente.
UN-15 10 0 0.00 - 10.00 0.02 10 Slug extracción 16.2 2.06 Si -
UN-16 10 44 0.00 - 10.00 0.15 10 Slug extracción 1 -- -- No
Al recoger datos tras el ensayo se observa que el sensor no quedó bien colocado, por lo que se procede a repetir el Slug.
Slug extracción 2 14.1 1.79 Si -
UN-17 -- -- -- -- -- -- -- -- -- Sondeo derrumbado.
UN-18 -- -- -- -- -- -- -- -- -- Sondeo derrumbado.
UN-19 10 -115 0.00 - 10.00 -0.4 9.6 Slug extracción 12.3 1.57 Si -
UN-20 9 Boca de tubo 7.10 - 9.00 1.38 1.9
Pulso extracción 0 -- No El nivel apenas desciende con la extracción.
Pulso inyección 2.36 0.3 No El nivel se recupera instantáneamente tras la inyección.
0.00 - 9.00 0.31 9 Slug extracción 14.2 1.81 Si -
UN-21 9 0 0.00 - 9.00 -0.11 8.89 Interferencia (Punto de
extracción) 47.94 0.56 Si Punto de observación en UN-22.
UN-22 9 0 0.00 - 9.00 -0.11 8.89 Punto observación de UN-
21 1.88 0.24 Si -
UN-23 9 0 0.00 - 9.00 0.07 9 Punto observación de UN-
24 0.94 0.12 Si -
UN-24 9 0 0.00 - 9.00 0.21 9
Interferencia (Punto de extracción)
240 0.73 No
No es posible ajustar adecuadamente caudal de extracción siendo éste muy irregular por lo que la interpretación del ensayo no es fiable.
Slug extracción 14.1 1.8 Si -
UN-25 9 30 0.00 - 9.00 0.5 9 Slug extracción 9.26 1.18 Si -
UN-26 10 0 0.00 - 10.00 -0.49 9.51 Slug extracción 16.1 2.05 Si -
UN-27 10 0 -- -- -- -- -- -- -- Sondeo tapado por la viga base del túnel.
UN-28 9 Boca de tubo 0.00 - 9.00 0.36 9
Slug extracción 3.42 0.44 Si -
Punto observación de UN-29
0 0 No No se observa descenso del nivel.
UN-29 9 30 0.00 - 9.00 0.21 9
Interferencia (Punto de extracción)
159 1.02 No Punto de observación en UN-28.
Slug extracción 2.64 0.34 Si No se observa descenso del nivel en el punto de observación UN-28.
Nota: (*) La profundidad del nivel del agua antes del ensayo, es desde la pared del túnel. Los valores son positivos (+).
28 Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea
Posterior a esto, se empleó el software “Gestor de datos de Hidrogeología V 2.3” del área de
hidrogeología de AITEMIN [2003] (Figura B - 11) para (i) realizar las correcciones a la tendencia de
datos de los niveles piezométricos con oscilaciones por el sensor de presión empleado y los problemas
citados anteriormente y (ii) conversión de medidas de profundidad del agua a variaciones de nivel. Lo
anterior, para preparar los datos para el software de interpretación, EPHEBO v 1.1. rev 2 [UPC, 2002].
Figura B - 11 Software (Gestor de datos de Hidrogeología V 2.3) para correcciones de niveles piezométricos.
Adaptado de AITEMIN [2013]
EPHEBO v 1.1 (Figura B - 12) es una interfaz que emplea el código numérico MARIAJ_IV [Carbonell
et al., 1997] para estimar parámetros hidráulicos en ensayos de bombeo o inyección, resolviendo el
problema inverso, mediante calibración automática empleando el teorema de máxima verosimilitud
minimizando la diferencia entre los niveles (descensos) medidos y los niveles (descensos) calculados,
empleando una variante del método de Marquardt [Carbonell et al., 1997].
Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea 29
Con la inclusión de modelos analíticos que suponen un medio infinito y considera cuatro modelos: i)
Theis [1935] para acuíferos cautivos, ii)Hantush [1956] para acuíferos semiconfinados que consideran aportes o perdidas
en el techo y/o base, iii) Theis modificado o Barker [1988](denominado modelo General) para las mismas condiciones de
Theis, pero a pozos que poseen almacenamiento y/o efecto piel en los alrededores del pozo de bombeo y doble porosidad, y
iv) Hsieh-Neuman (1985a) (anisotropía 3D) para simular los pozos y piezómetros como líneas en un acuífero 3D con
anisotropía y modelos numéricos que consideran los elementos finitos multiplex con interpolación
bilineal para acuíferos cautivos o libres, mientras que no disminuya su espesor saturado. Asumen un
medio finito con descenso nulo en el extremo más alejado del eje del pozo de bombeo, contempla la
posibilidad de añadir una fractura el software le permite al hidrogeólogo mejorar la interpretación gráfica
clásica que presenta limitaciones en casos en los que el caudal de bombeo no es constante (requiere la
preparación de varias curvas-tipo específicas para su interpretación), se tienen varios puntos o pozos de
observación o no se tiene más de tres parámetros (T, S y un tercero dependiendo del modelo empleado)
[Carbonell et al., 1997].
Figura B - 12 Software para interpretación de ensayos de bombeo o inyección. Adaptado de AITEMIN [2013]
Al tener una interpretación automática, EPHEBO, considera numerosas opciones (i.g., goteo, efecto
piel, doble porosidad, almacenamiento en pozo de bombeo, pérdidas líneas y cuadráticas, bordes de
nivel fijo e impermeable (barreras), anisotropía horizontal, vertical y 3D, drenaje diferido, fractura
perpendicular al pozo) útiles para la compresión de problemas complejos en hidrogeología y
disminución en el tiempo de interpretación cuando se tienen multiplicidad de casos de análisis. Más
detalles del programa y formulación pueden ser consultados en Carbonell et al. [1997]; UPC [2002].
30 Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea
Las formulaciones analíticas (e.g., Theis [1935], Hantush [1956], Modelo General o Barker [1988]) que
emplea EPHEBO, derivan su cálculo de la ecuación de flujo, la cual se basa en la ecuación de Darcy y
la ecuación de masa [Custodio y Llamas, 1976]. Para flujo bidimensional Carbonell et al. [1997] exponen
para un medio homogéneo:
,t
hSRh*T 2
(1.3)
donde, h2 es el Laplaciano de la altura piezométrica, R el aporte del agua en volumen por unidad de
tiempo y por unidad de superficie de acuífero, S el coeficiente de almacenamiento, T la transmisividad
y t el tiempo.
Con las siguientes consideraciones o hipótesis.
El acuífero es homogéneo e isótropo, con densidad y viscosidad del agua constantes.
El acuífero tiene un espesor constante y su aproximación para acuíferos libres es válida, cuando
los descensos son menores al espesor del acuífero.
El nivel piezométrico del acuífero se encuentra en estado estacionario.
La ley de Darcy es válida si no existen perdidas cuadráticas en la zona de influencia al pozo de
bombeo.
El coeficiente de almacenamiento es constante en el tiempo y en el espacio.
El pozo perfora totalmente el acuífero (totalmente penetrante), esta suposición no es necesaria
para los modelos numéricos.
Figura B - 13 Esquema conceptual de los Modelos de [Theis, 1935], [Hantush, 1956], Modelo General o[Barker,
1988] para un dominio 2D horizontal. Modificado de Carbonell et al. [1997].
S=0 para R →∞
Punto de Obs. 1
Punto de Obs. 2
Punto de Obs.
Pozo de
1. Modelo de [Theis, 1935] 2. Modelo de [Hantush, 1956] → acuitardo 3. Modelo General [Barker, 1988]→ puede tratar:
a) Almacenamiento en pozo de bombeo b) Efecto piel. c) Doble porosidad
IMAGEN EN PLANTA
Coordenada Z no considerada
Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea 31
Tabla B - 5 Formulaciones analíticas para interpretación de pruebas de bombeo en EPHEBO, compilado de
Carbonell et al. [1997]
Modelo analítico
Ecuación general Parámetros
básicos Hipótesis Ec.
Theis [1935]
Tt4
Sr2u
T – S
El termino de recarga es independiente del nivel piezométrico.
El radio del pozo es más pequeño que el espesor del acuífero (r→0)
S=0 para cualquier tiempo anterior al inicio del bombeo.
S=0 (r→∞), en el infinito no se produce descenso alguno. El flujo dentro del pozo es igual al caudal de bombeo.
Qr
hrT2lim
0r
(1.4)
u
x
dx x
euW (1.5)
uWT4
Qs
(1.6)
Hantush [1956]
Tt4
Sr2u
T – S – k’
La recarga se establece a partir de otro acuífero situado encima o debajo o del semiconfinado, a través de un acuitardo (formación de inferior conductividad)
La recarga es proporcional a la conductividad hidráulica k’/b’ del acuitardo semiconfinante y a la diferencia de niveles entre los dos acuíferos.
La recarga es lo suficientemente pequeña como para suponer que el flujo en el acuitardo es completamente vertical, y al llegar al acuífero, las líneas de flujo se refractan bruscamente hasta hacerse horizontales, de modo que las isopiezas son prácticamente verticales (mismo nivel en la misma vertical)
No se toma agua del almacenamiento del nivel semiconfinante.
El radio del pozo es suficiente pequeño (r→0).
El flujo dentro del pozo es igual al caudal de bombeo.
Qr
hrT2lim
0r
(1.7)
'
'
Tb
kr
B
r (1.8)
u
2
dy 4y
βyexp
y
1u,W (1.9)
,uWT4
Qs (1.10)
Barker [1988]
r
t,rsrst,rsts wwfww
K – Ss – dos razones de anisotropía – tres ángulos de anisotropía.
Parte del agua bombeada procede del almacenamiento en su interior (Theis y Hantush, no lo consideran).
La mejor interpretación de ensayos de bombeo en medios fracturados se obtiene con dimensiones inferiores a 2 (Billaux, 1990).
El descenso en el pozo de bombeo sw(t), no es exactamente s(rw,t) ya que presenta un aumento o disminución del mismo, debido a la variación de permeabilidad en un pequeño espesor alrededor del pozo.
r
t,rsrst,rsts wwfww
El medio, sea fracturado o no, puede considerarse homogéneo y queda caracterizado por su transmisividad y por su coeficiente de almacenamiento. La solución puede hacerse extensiva a un medio de doble porosidad sustituyendo λ2 por:
B1T
pS2
El Modelo General o Barker (1988) considera tres opciones para su cálculo, i) Almacenamiento en pozo de bombeo (representa la superficie de la zona efectiva de variación de niveles), ii) Efecto Piel (cambios en la permeabilidad entorno al pozo, generando aumentos o descensos de los niveles) y iii) Doble porosidad (empleado para acuíferos en medios fracturados con importancia de la porosidad secundaria).
(1.11)
μK μ T 2πμK μ SμKSp
μρ K p Qpr,s
11f0w
0
(1.12)
μK μ 2ππμK μ SμKSρ
μK μ SμK pQp
11f0w
1f0
w
s
(1.13)
Hsieh y Neuman [1985]
2/1
xxs
2/1xx
0Dt4
GSerfc
G4
Qhhh
K – Ss – factor almacenamiento del pozo.
Idealizan los pozos de inyección (o de bombeo) y observación, como líneas de longitud igual a la de los propios sondeos.
Parte de la solución para el caso de una fuente puntual en un medio infinito y anisótropo (Carslaw and Jaeger, 1959), deducida en la teoría de difusión de calor y que viene determinada por la función complementaria de error erfc( ).
(1.14)
Nota: Para Theis, u es la ecuación de Theis [1935], r la distancia del centro del pozo de bombeo a cualquier otro punto, S el coeficiente de almacenamiento, T la transmisividad, t el tiempo, W(u) la función de pozo, s los descensos evaluados en la ecuación diferencial, Q el flujo. Para W(u,β) la ecuación de Hantush [1956], k’ la conductividad hidráulica del acuitardo, b’ el espesor del acuitardo, B el factor de goteo. Para Barker [1988], rw el radio del pozo en la zona acuífera, rc la zona de variación de niveles, sw el descenso en el propio pozo, p la variable de espacio transformado, μ=λ*rw, con
λ2=p*(S/T), Ki la función de Bessel modificada de orden i, ρ el cociente entre la distancia r y el radio del pozo de bombeo, σ la relación entre almacenamiento en la matriz y en fracturas, B(ξ)=(1/ξ)*(I1*(2ξ)/I2*(2ξ)) es la función que caracteriza la forma de los bloques de matriz (BGD:Block-geometry function) e Ik la función de Bessel modificada de primera clase y orden k, ξ2=p((Ssm*a2)/(Km)), siendo Ssm, el almacenamiento especifico de la matriz, a2 la longitud característica y Km la transmisividad de la matriz y Dm=(Ssm*a2)/(Km) es el denominado tiempo característico. Para Hsieh y Neuman [1985], Δh=h-h0 es el descenso en el punto x para el tiempo t, erfc ( ) la función complementaria de error, Q el caudal de bombeo constante, D el determinante del tensor de conductividad (ejes arbitrarios), Gxx=x’Ax= forma cuadrática =R2(θ’Aθ), con A como la matriz adjunta de K, A=DK-1. K el tensor de conductividad hidráulica y Ss el coeficiente de almacenamiento específico representativo del medio.
32 Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea
Particularmente para los ensayos de Slug, las pruebas fueron interpretadas empleando el modelo General
de flujo o Barker [1988], el cual considera el almacenamiento de agua en el sondeo (Sw – área de la tubería
en que se recuperara el nivel) y una extracción instantánea en el tiempo durante todo el ensayo. Para su
interpretación, este modelo requiere conocer el volumen de agua extraído en el sondeo (ΔV) y la
variación del nivel de agua (ΔP) generado con la prueba de bombeo, ecuación (1.15). Seguido a esto se
ajusta el modelo empleando parámetros iniciales (semillas) Sw, T y S para el ajuste automático.
Como los Slug fueron realizados en sondeo único, los valores de coeficientes de almacenamiento (S) no
son reales, ya que se requiere un punto de observación para estimarlo, pero EPHEBO lo requiere para
la interpretación. En la Figura B - 14 y Figura B - 15 se bosqueja una interpretación válida para el sondeo
UN-16 y de dos pruebas para los sondeos UN-13, UN-14 y UN-26 que no fue posible interpretarlos
(enganche del sensor y no recuperación de su nivel inicial (UN-26), taponamiento de los sondeos (UN-
13 y UN14)). Detalles de los datos de campo e interpretación de todos los Slug se encuentran en el
ANEXO H.
,mP*mSmV 2w
3 (1.15)
donde ΔV es el volumen de agua extraído en el sondeo, ΔP es la variación del nivel de agua generado
con la prueba de bombeo y Sw el área de la tubería en que se recuperara el nivel
Para los ensayos de bombeo (interferencia), se empleó el método gráfico de Horner [Horner, 1951] y el
método inverso para encontrar el mejor ajuste para la fase de extracción y de recuperación de la prueba
y el valor de T. Posterior a esto, se interpretó la prueba con el modelo de Theis a partir del valor calculado
de T y el almacenamiento en sondeo (correspondiente del producto de la compresibilidad del agua por
el espesor saturado). Para estimar el valor de conductividad hidráulica (K) de todos los ensayos
hidráulicos, se empleó la ecuación (1.16). En la Figura B - 16 y Figura B - 17 se bosquejan los resultados
de la única prueba de interferencia valida (UN- 21 y UN-22) y de una prueba típica en la que no fue
posible interpretar porque no existe afectación al nivel piezométrico (UN-04). Detalles de los datos de
campo e interpretación de los ensayos de interferencia, se encuentran en el ANEXO H y UNAL [2015].
,b
TK
(1.16)
donde K es la conductividad hidráulica (m/s), T la transmisividad (m2/s) y b la longitud total del sondeo
(A)(Figura B - 10) en que el tramo final derrumbado funciona como filtro.
Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea 33
Figura B - 14 Datos de campo e interpretación de Slug de extracción (interpretable o valido) sondeo UN-16
34 Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea
Figura B - 15 Datos de campo e interpretación de Slug de extracción sondeos (no interpretables o no validos) UN-13, UN-14 y UN-26
Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea 35
Figura B - 16 Datos de campo e interpretación de ensayo de interferencia (valido o interpretable) en los pozos UN-21, UN-22
36 Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea
Figura B - 17 Datos de campo e interpretación de ensayo de interferencia (no interpretable o no valido) en el pozo UN-04
Una vez finalizada la FASE II e interpretados los ensayos, se tiene que los valores de conductividad
hidráulica estimados para los sondeos y tramos ensayados localmente, presentan una variación en cinco
órdenes de magnitud (10-6 ~10-10 m/s)(Tabla B - 7) lo cual coincide con valores típicos referenciados en
la literatura para esta clase de medios fracturados (esquistos fracturados y rocas cristalinas fracturadas y
meteorizadas) (Tabla B - 6).
Tabla B - 6 Rango de valores de conductividad hidráulica y permeabilidad para varios tipos de materiales
geológicos. Modificado de Singhal y Gupta [2010]
Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea 37
Tabla B - 7 Parámetros Hidráulicos obtenidos de la interpretación de los ensayos hidráulicos realizados al interior
del Túnel Principal
38 Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea
Para el parámetro K se encontró que el Túnel de La Línea presenta valores moderados a bajos de
conductividad hidráulica15 (Tabla B - 8 y Figura B - 20). En términos generales, gran parte de las
formaciones que cruza el túnel tienen una K que oscila entre (10-7 - 10-8 m/s) y se tienen valores altos
asociados a zonas de influencia de falla o roca bastante fracturada (10-6 m/s). Al realizar una clasificación
general por sectores para el cruce se tiene: el sector I (10-7 a 10-10 m/s), sector II (10-6 – 10-8 m/s), sector
III (10-8 – 10-9 m/s), sector IV (10-7 – 10-8 m/s), sector V (10-7 m/s) y sector VI no fue posible
caracterizar.
Para el parámetro de coeficiente de almacenamiento (S) se realizaron pruebas de interferencia para los
sondeos dobles, pero solo fue posible caracterizar un ensayo en el Complejo Quebrada Grande, con un
orden de magnitud (10-3) (sondeos UN – 21 y UN – 22). Se caracterizaron los restantes con ensayos tipo
Slug de extracción, pero la tipología de ensayo y equipos empleados, no permitieron obtener este
parámetro, al tener curvas de recuperación de difícil interpretación que no dejan ver la conexión
hidráulica entre los sondeos.
Para la única prueba válida, se tomó como punto de referencia (pozo de bombeo) el sondeo UN – 21 y
punto de observación (piezómetro) separado a 2 m. El sondeo UN – 22, tuvo una duración de 10 h
hasta su recuperación total, un volumen de extracción de 47.94 L, un caudal de descarga de 1.41 L/min
y un descenso de 24 cm en el punto de observación, dando a conocer una elevada conectividad en este
sondeo. Por otra parte, se obtuvieron coeficientes de almacenamiento no reales en sondeos únicos (sin
punto de observación) que varían cuatro órdenes de magnitud (100 ~ 10-4), ya que al interpretar la prueba
con el modelo general Barker [1988] es un parámetro requerido para EPHEBO. Por tanto, su uso no es
recomendable.
Como síntesis de la interceptación de la FASE II, se muestran los parámetros (T, K y S) calculados y una
representación gráfica en un corte perfil del Túnel Principal (Figura B - 18 y Figura B - 19). Así mismo
una clasificación general en función de la conductividad (moderada a baja) de las formaciones geológicas
que cruza el proyecto “Cruce de la Cordillera Central” (Tabla B - 8).
15 La clasificación cualitativa del parámetro de conductividad hidráulica se realiza a partir del rango de valores descritos por Singhal y Gupta [2010].
Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea 39
Figura B - 18 Resultados ensayos hidráulicos Túnel de La Línea Sector I a II
40 Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea
Figura B - 19 Resultados ensayos hidráulicos Túnel de La Línea Sector III a VI
Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea 41
Tabla B - 8 Zonificación de parámetros hidráulicos estimados para las formaciones y/o estructuras encontradas
durante la excavación del Túnel Principal
Sector Zonificación geológica Zona Caracterizada Transmisividad
~ (m2/s)
Conductividad Hidráulica
~ (m/s)
Coeficiente de almacenamiento
(S)
Clasificación de conductividad de Singhal y Gupta
[2010]
Sondeos con o sin interpretación
I (K0+000 - K1+160)
Complejo Quebrada Grande
(Unidad metamórfica (diabasas y esquistos verdes
con venas de cuarzo lechoso) y volcano
sedimentaria (esquistos verdes-grisáceos, chert
metareniscas y lutitas con mineralizaciones de cuarzo
y trazas de pirita))
Zona de influencia a la Falla La Gata
10-9 10-10 - - Baja UN-25
Roca matriz fracturada 10-6 10-7 - - Baja UN-23/UN-24
II (K1+160 - K3+750)
Zona de influencia a la Falla Alaska
10-5 10-6 10-3 Moderada UN-20/UN-21/UN-22
Roca matriz fracturada 10-6 10-7 - - Baja UN-19
Zona de influencia a la Falla El Viento
10-7 10-8 - - Baja UN-28/UN-29
Roca matriz fracturada 10-6 - 10-7 10-7 - 10-8 - - Baja UN-15/UN-16
Zona de influencia a la Falla La Vaca
- - - - - - - - UN-13/UN-14
III (K3+750 - K4+975)
Zona de contacto - Rocas metadiabasas
(volcano sedimentarias y pórfidos andesíticos)
Zona de influencia a la Falla Campanario y trazos del Sistema de Fallas la Soledad
10-7 - 10-8 10-8 - 10-9 - - Baja UN-10/UN-11
IV (K4+975 - K6+515)
Complejo Cajamarca (Gabros y metagabros con textura neissica, unidades
esquistosas de composición cuarzo sericítica con
intercalaciones de esquistos negros y grafitosos)
Zona de influencia del Sistema de Fallas la Soledad
10-7 10-8 - - Baja UN-09
Zona de influencia Falla los Chorros
10-6 10-7 - - Baja UN-07/UN-08
Roca matriz fracturada 10-6 - 10-7 10-7 - 10-8 - - Baja UN-05/UN-06
V (K6+515 - K8+185)
Roca matriz fracturada 10-6 10-7 - - Baja UN-04/UN-26
VI (K8+185 -
K8+654.38)
Pórfido dacítico - andesítico
Roca matriz fracturada - - - - - - - - - -
Nota: (1) "--" No poseen registros o resultados válidos para los ensayos de campo interpretados o no fue posible caracterizar o perforar la zona. (2) La clasificación de la zonificación geológica es tomada con la descripción geológica realizada por DIS-EDL [2013]
Figura B - 20 Diagrama de cajas para 15 ensayos hidráulicos (Slug test e Interferencia) insitu al interior del Túnel de
La Línea. Sector 1-2 (Complejo Quebrada Grande), Sector 3 (Zona de contacto – Rocas metadiabasas), Sector
4-5 (Complejo Cajamarca), Sector 6 (Pórfido dacítico – andesítico).
42 Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea
1.5 Conclusiones
Los resultados de la campaña de ensayos hidráulicos han permitido obtener resultados interesantes para
cinco de los seis sectores geológicos que tiene el Túnel Principal, de los cuales desde el punto de vista
hidrogeológico, se presentan a continuación:
Existen diferentes pruebas que permiten caracterizar las propiedades hidráulicas de un medio
heterogéneo (fracturado). Sin embargo, cualquier proyecto que tenga: (i) un bajo presupuesto
para investigación, (i) no disponga de personas capacitadas para interpretar los ensayos o equipos
en campo, (iii) se presenten características constructivas y diseño de los sondeos no adecuadas y
(iv) los sondeos presenten una baja o nula carga hidráulica, no permitirán realizar un monitoreo
adecuado para el medio a caracterizar.
No fue posible obtener niveles topográficos de los sondeos (m.s.n.m), ni estimar gradientes o
direcciones principales de flujo en los sondeos surgentes y no surgentes. Por tanto, fue necesario
medir manualmente desde el punto de entrada (emboquille) de cada sondeo, con ayuda de una
sonda de nivel y emplear expresiones matemáticas para correlacionar el nivel piezométrico. Se
recomienda realizar una nivelación para efectuar análisis adicionales.
Se observa que al obturar los sondeos existe una variación de la presión hidrostática a lo largo de
la perforación, siendo baja en las zonas descomprimidas (zona plástica) cerca del emboquille del
sondeo y con aumentos progresivos hasta el final del pozo. Lo anterior incidió en que se
emplearan ensayos tipo Slug a sondeo abierto para caracterizar su comportamiento hidráulico.
No obstante, algunos sondeos presentaron mayor presión y se intentó caracterizarlos con ensayos
de tipo extracción finita o bombeo a caudal constante e interferencia, pero no fueron resolutivos
por falta de presión en el tramo o limitaciones de los equipos empleados que se encontraban
sobredimensionados (del orden de L/s y no L/min) y presiones hidráulicas elevadas < 20 m.c.a.
y registradores de caudal del orden de 10 ~ 20 L/s.
Al finalizar la FASE II, la interpretación de los ensayos hidráulicos, estuvo condicionada a las
características constructivas de los pozos (e.g., longitud de la entubación, cementación del
emboquille no adecuada, taponamiento en tramos finales o iniciales, derrumbamiento, longitud
corta de los sondeos, etc.), los caudales y presiones hidrostáticas inferiores a las previstas (fueron
registradas en tramos obturados de cada sondeo) y demás problemas descritos anteriormente. Lo
anterior, repercutió y condicionó en modificar la metodología inicial (realizar 21 ensayos a sondeo
único e interferencia) y acoplar e incluir equipamiento adicional, disponible en la zona de trabajo,
para los 22 sondeos disponibles. Dando como resultado la ejecución de 28 ensayos hidráulicos
Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea 43
(ensayos a sondeo único e interferencia (iniciales), pruebas de tipo Slug de extracción, ensayos de
extracción finita o de bombeo con caudal constante y ensayos de pulso) de los cuales 19 pudieron
ser interpretables.
Particularmente para el macizo fracturado, fue posible identificar que existe una zona amplia en
el Sector II, con conductividad hidráulica moderada o de mayor transmisividad (zona de
influencia a la Falla Alaska – Complejo Quebrada Grande) con valores de ~10-6 m/s, siendo
coherente con las condiciones de gran afluencia de caudales de infiltración importantes (Q ~ 40
a 120 L/s) durante la fase de excavación del Túnel Piloto que obligó a realizar un By-Pass para
abatir el frente de excavación. Lo anterior, fue posible caracterizar con ensayos de tipo
interferencia (UN – 21 y UN – 22) y de Slug de extracción (UN – 20).
Una vez interpretadas las demás pruebas hidráulicas (14 Slug de extracción) a lo largo de la traza
del túnel, se evidencia que existen zonas de menor y baja transmisividad, representadas en una
variación en cuatro órdenes de magnitud de este parámetro de forma local. Encontrando una
variación en el Sector I de (10-7 ~ 10-10 m/s), Sector II (10-6 ~ 10-8 m/s), Sector III (10-8 ~ 10-9
m/s), Sector IV (10-7 ~ 10-8 m/s), Sector V (10-7 m/s), Sector VI (no fue posible caracterizar).
Esto permite comprender la variación de este parámetro de forma local y el efecto de escala que
varía con las pruebas locales y regionales. Sin embargo, su compresión queda limitada a los
trabajos de campo, la ubicación de los parámetros y uso general en técnicas de modelación
analítica y numérica.
Se realizaron un total de cinco ensayos de interferencia, en sondeos dobles para estimar el
parámetro de coeficiente de almacenamiento de forma local en cada formación o sector geológico.
Sin embargo, las condiciones constructivas (UN-23, UN-24, UN-13 y UN-14), el alto
diaclasamiento o vías preferentes de flujo cerca de la pared o emboquille del sondeo (UN-05 y
UN-05) y bajas presiones hidrostáticas o longitud corta de estos, incidieron en que un ensayo
resultara ser válido (UN – 21 y UN – 22) con una interpretación de 7x10-3 para el Complejo de
Quebrada Grande (diabasas). El resto de ensayos presentó registros incompletos de la curva de
recuperación, no estabilización de nivel inicial o no variación de este por una continua recarga de
fracturas cercanas (UN-06, UN-09, UN-11, UN-15 y UN-26). Se recomienda siempre tener un
punto de observación para correlacionar este parámetro con las mediciones de la prueba
hidráulica.
La tipología o diseño de los pozos está en función del presupuesto disponible para las actividades
de perforación. Es ideal que la longitud de los sondeos sea mayor para obtener registros de
44 Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea
presiones hidrostáticas mayores y tener una mejor obturación y aumento del nivel piezométrico.
Posiblemente, la mayoría de los sondeos se encuentran en la zona plástica del túnel y la presión
disminuye notablemente respecto al interior del macizo, al tener presión atmosférica. Por tanto,
los resultados de la campaña de ensayos hidráulicos deben manejarse con cautela y mencionar las
simplificaciones empleadas durante los trabajos de campo expuestos anteriormente.
Para futuros trabajos de caracterización de parámetros en medios fracturados de obras
subterráneas, se recomienda que las perforaciones tengan: (i) una mayor longitud respecto al eje
o pared del túnel (30 ~ 50 m), (ii) una adecuada ubicación y orientación de las perforaciones (de
acuerdo a los planos de falla, zonas de cizalla, familias de diaclasas, entre otros), (iii) entubación y
cementación de las perforaciones apropiadas (acordes a las zonas de fracturamiento o zonas de
interés), (iv) realizar ensayos hidráulicos con los avances de perforación (permiten realizar una
medición insitu sin despresurización por el efecto del túnel) y (iv) un monitoreo permanente y
diseño o utilización de equipamiento adecuado para medios de alta, baja y media permeabilidad.
Finalmente, los ensayos hidráulicos son insumos claves para cualquier modelo analítico o
numérico que permita estimar el grado de afectación que tendrá la obra subterránea (túnel). El
uso de técnicas de caracterización apropiadas permitirán reducir el grado de incertidumbre para
el medio (poroso o fracturado) que perfore la obra y los resultados o estimaciones que realice el
modelador de forma local o regional. Sin datos de campo, los modelos que se realicen no tendrán
utilidad y serán obsoletos.
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46 Anexo B. Ensayos hidráulicos en el Túnel de La Línea
aspectos hidrogeológicos del proyecto cruce de la Cordillera Central túneles del II Centenario –Túnel Piloto de La Línea.
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