Unidad iv Geología

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERIA, CIENCIAS FISICAS Y
MATEMÁTICA
ECUELA DE INGENIERIA CIVIL
UNIDAD IV
PERMEABILIDAD EN MACIZOS ROCOSOS
SEMESTRE 2014

PARAMETROS HIDROGEOLÓGICOS CARACTERÍSTICOS
DE LAS FORMACIONES GEOLOGICAS
FORMACIONES GEOLOGICAS Y SU COMPORTAMIENTO FRENTE AL
AGUA
Los acuíferos deben ser entendidos como formaciones geológicas
subterráneas permeables, susceptibles de almacenar y transmitir
agua.
Se dividen en cuatro grandes grupos:
- Acuíferos: capaces de almacenar y transmitir agua, generalmente
se forman en gravas, arenas, materiales, calizos, etc., son
formaciones con capacidad de drenaje alta en las que se pueden
perforar pozos y sondeos.

- Acuitardos: pueden almacenar el agua en grandes cantidades muy
importantes, pero las transmiten con dificultad, son semipermeables
(limos, arenas limosas, arenas arcillosas, etc.) y su capacidad de
drenaje es de media a baja.
- Acuicludos: pueden almacenar el agua en grandes cantidades, pero
no tienen la posibilidad de transmitirla y se drenan con mucha
dificultad, el agua se encuentra cerrada en los poros de la formación
y no puede ser liberada, en arcillas, arcillas plásticas, limos
arcillosos, etc.
- Acuifugos: formaciones incapaces de almacenar y transmitir el
agua, estan representados por las rocas compactas, como granitos y
gneises, y a veces incluso calizas muy compactas sin carstificar.

TIPOS DE ACUIFEROS Y SU COMPORTAMIENTO
Desde el punto de vista de la textura del macizo rocoso, existen tres tipos
de materiales de acuíferos:
- Acuíferos porosos: su permeabilidad se debe a su porosidad
intergranular, entre ellos se encuentran, gravas, arenas y en general
todos los materiales detríticos con tamaño de grano de arena
mínimo.
- Acuíferos cársticos y fisurados: son aquellos cuya permeabilidad es
debida a grietas y fisuras, entre ellos las calizas, dolomías, granitos,
basaltos.
- Acuíferos cársticos y porosos: cuya permeabilidad es debida a un
conjunto de las dos anteriores causas. Son típicas de la
calacarenitas.

Según sus características hidráulicas y estructurales, pueden funcionar de distintas
formas y son tres:
- Acuíferos libres: son aquellos en los que el nivel de agua se
encuentra por debajo del techo de la formación permeable. Liberan
agua por desaturación.
- Acuíferos cuativos o confinados: son aquellos que están aislados
del subsuelo, rodeados de materiales impermeables por todos sus
lados. El nivel freático está por encima del techo del material
acuífero.
- Acuífero semiconfinados: los materiales que los rodean no son todos
permeables, asi los materiales que le rodean son materiales
semipermeables, que permiten el paso del agua de otros acuíferos
superiores al inferior confinado.

DE LAS FORMACIONES GEOLOGICO
- Nivel piezométrico:
Teorema de Bernoulli:
𝐇 = 𝐳 +
𝒖
𝜸 𝒘
+
𝒗 𝟐
𝟐𝒈
H = carga hidráulica total
z = altura geométrica, se mide desde un plano de
referencia z = 0
𝑢
𝛾 𝑤
= altura de presión, siendo u la presión de agua en un
punto considerado, y 𝛾 𝑤 el peso específico del agua.
𝑣2
2𝑔
= altura de velocidad, donde v es la velocidad del flujo
en el punto considerado y g la aceleración de la gravedad.

Los dos primeros términos representan una energía de posición
(potencial), el tercer término es energía cinética (todos en unidades
de longitud).
𝒛 𝑨 +
𝒖 𝑨
𝜸 𝒘
+
𝒗 𝟐
𝑨
𝟐𝒈
= 𝒛 𝑩 +
𝒖 𝑩
𝜸 𝒘
+
𝒗 𝟐
𝑩
𝟐𝒈
En el caso ideal de un fluido perfecto e incompresible sujeto a un
flujo permanente y estacionario, la carga hidráulica total se mantiene
constante.
Para que exista flujo es necesaria una diferencia de carga hidráulica,
de manera que el agua circula desde puntos de mayor carga (HA),
hacia puntos de menor carga (HB).

La capacidad de almacenar y transmitir el agua por parte de un acuífero
deber ser cuantificada para evaluar las formaciones desde el punto de vista
hidrogeológico.
Por ello para saber cuanto de agua puede contener o transmitir un acuífero,
se mide con los parámetros:
- Porosidad: la porosidad es al relación entre el volumen de huecos y
el volumen total de una roca. Es un parámetro adimensional y
depende únicamente de la constitución de la roca, de su textura
característica.

La porosidad de una roca puede estar ligada únicamente a la
textura de la misma o depender además de las características del
fluido que se mueve en su interior.
-Porosidad total (n): se refiere al volumen total de poros,
independiente de que el fluido tenga o no la capacidad de circular
entre ellos.
n =
𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑 𝑝𝑜𝑟𝑜𝑠
𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
- Porosidad eficaz (ne): porosidad cinemática, se refiere al volumen
de poros conectados por los que el transporte de fluido es posible, y
queda ligada no solo a la textura de la formación, sino tambien a las
características del fluido:

ne =
𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑟𝑜𝑠 𝑐𝑜𝑛𝑒𝑐𝑡𝑎𝑑𝑜𝑠
𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
La porosidad total de una formación detrítica depende de la forma,
distribución granulométrica y modo de empaquetado de sus granos.
En estado natural, las formaciones detríticas pueden tener sus
granos con mayor o menor grado de compactación, debido a
factores como génesis formacional, ambiente sedimentario, carga
litostática, etc.
El tipo de empaquetado puede variar desde el cúbico, que es el que
deja mayores espacios intergranulares, al rómbico que tiene mayor
compactación.

- Coeficiente de almacenamiento: Este coeficiente representa la
capacidad para liberar agua de un acuífero. Se define como el
volumen de agua que es capaz de liberar un prisma base unitaria y
de altura del acuífero.
-Permeabilidad: es el parámetro que permite evaluar la capacidad
de transmitir agua de un macizo rocoso en función de su textura.
- Transmisividad (T): es el parámetro para evaluar la capacidad de
transmitir agua de los acuíferos, teniendo en cuenta la
textura del acuífero y las características del fluido.

PERMEABILIDAD
La importancia del estudio de la permeabilidad en macizos rocosos
se deriva principalmente de dos aspectos fundamentales:
a) Es estudio de las filtraciones en macizos rocosos con el fin de
conocer los caudales infiltrados. Importante en obras como:
- Captaciones de petróleo
- Captaciones de agua
- Filtraciones de presas
- Construcción de obras subterráneas
- Estabilidad de taludes
- Almacenamiento de fluidos en cavernas
- Almacenamiento de residuos en general
- Almacenamiento de residuos radioactivos: peligro de
movimiento de agua contaminada.

PERMEABILIDAD
b) Es estudio de estabilidad del macizo rocoso, que se ve disminuida
por la presencia de agua.
La presencia de agua en las fisuras del macizo origina presiones,
dando lugar a al disminución de la estabilidad.
Para determinar la distribución de las presiones de agua se debería
realizar un estudio de la red de filtraciones. Para su estimación es
fundamental determinar la permeabilidad o permeabilidades del
macizo rocoso así como las condiciones de contorno a establecer
(posibles fuentes de alimentación de agua (lluvia, rios, embalses,
etc.). Es recomendable realizar la medida directa de las presiones de
agua de algunos puntos seleccionados, mediante la instalación de
piezómetros en sondeos.

PERMEABILIDAD
El conocimiento de la geología de la zona y de su entorno serán
fundamentales para la correcta interpretación de las medidas de la
presión del agua.
El coeficiente de permeabilidad se mide en función de unidades de
velocidad (m/s, m/dia o cm/s), es el parámetro hidráulico que
registran mayores variaciones en función de la textura de la roca.
-Permeabilidad efectiva o conductividad hidráulica (k): esta en
función de sus características texturales del medio físico.
-Permeabilidad intrínseca (K): depende de las características
internas del medio permeable.

PERMEABILIDAD
-LEY DE DARCY: establece que el caudal Q que es capaz de atravesar
un medio permeable, es proporcional al área de paso del medio
permeable A, normal al flujo, y la gradiente de niveles piezométricos
entre la entrada y la salida del flujo en medio permeable, i.
La constante de propocionalidad es la permeabilidad de medio, en
la que quedan incluidas las características del fluido (permeabilidad
efectiva) y se obtiene por:
Q= - k∙ A∙ i
Q = caudal de paso
k = permeabilidad de Darcy
A = área de paso
i = gradiente piezométrico

PERMEABILIDAD
- ECUACION DE LA CONTINUIDAD PARA FLUJO ESTACIONARIO
El concepto de flujo estacionario implica que el agua que entra en un
un macizo rocoso sea igual a la que va salir del mismo, sin que varía
el agua almacenada en dicho macizo, y por tanto no exista variación
en el nivel piezométrico. El nivel es independiente del tiempo.

PERMEABILIDAD
- ECUACION DE LAPLACE: es la primera de las ecuaciones
diferenciales que en derivadas parciales que controlan el flujo en
medios porosos. Se refiere al flujo en condiciones de régimen
permanente y en ausencia de fuentes y sumideros.

PERMEABILIDAD
- ECUACION DE POISSON: la ecuación toma en cuenta la
existencia de fuentes y sumideros, en para flujos de medios porosos
en régimen permanente.
- Si R(x,y) = 0, es coincidente con la ecuación de Laplace
- Si R(x,y) = es positiva = recarga
- Si R(x,y) = es negativa = bombeo

PERMEABILIDAD
- ECUACION DEL FLUJO EN REGIMEN TRANSITORIO
El sistema esta en equilibrio, para cambiar esta situación se requiere
ciertas acciones sobre el sistema, tales como bombeos o recargas. El
sistema evoluciona hasta alcanzar de nuevo la situación de equilibrio
correspondiente, mientras esta nueva situación es alcanzada, se
suceden un conjunto de situaciones a lo largo del tiempo, que es lo
que se denomina régimen transitorio.

PERMEABILIDAD
Suma de caudales entrantes en caras laterales
Volumenes desalmacenados en la unidad de tiempo
Bombeos o recargas en la unidad de tiempo.

PERMEABILIDAD
ENSAYOS IN SITU DEL MACIZO ROCOSO
Los ensayos de permeabilidad in situ en macizos rocosos son
utilizados para la construcción de obras de ingeniería, especialmente
en el caso de canales, presas, determinar flujos de agua en caso de
túneles, minas, taludes, con el fin de aliviar presiones intersticiales y
mejorar la estabilidad.
- Ensayo de Lugeon: es el más utilizado para la medida de
permeabilidad in situ, de rocas alteradas como intactas.
Consiste en aislar un tramo de sondeo mediante manguitos en
inyectar en él agua en diferentes escalones de presión constante,
registrandose la admisión de caudal para cada presión aplicada.

PERMEABILIDAD
La presión aplicada en escalones de presión constante hasta llegar a
los 10 kp/cm2, se aplica en períodos de 0-5, 5-10, 10-5 y de 5-0
kp/cm2.
Se llega a 10 kp/cm2 de presión de agua y se mantiene por 10
minutos.
La longitud del tramo de ensayo que se mide es de 5 metros. El
diámetro del sondeo debe ser de 70 mm.
Los resultados obtenidos del ensayos se miden en “Unidades
Lugeon”:
1 Lugeon = 1 litro/minuto/metro
Se define como la admisión de 1 litro de agua por metro de
ensayado y minuto, a presión de 10 atomésferas y durante 10
minutos.
Una unidad Lugeon equivale a un coeficiente de permeabilidad de
10−5 cm/seg.

PERMEABILIDAD
-Ensayo de permeabilidad de baja presión: ó L.P.T. (Low Pressure
Test) es una variante del ensayo de Lugeon, se caracteriza por la
utilización de escalones de carga muy precisos, con una presión
máxima de 5 kp/cm2.
En este ensayo se aplica la presión en períodos exactos de presión:
0-1-2-3-4-5-4-3-2-1-0 kp/cm2, medidos en el manómetro, durante 5
minutos en una zona de ensayo de tres metros de longitud.
El ensayo mide la presión crítica y permeabilidad crítica.
La unidad de permeabilidad crítica o Unidad Lugeon Crítica (ULC), se
define como la capacidad de absorción de agua en
litros/minuto/metro.

PERMEABILIDAD
-Trazadores: los trazadores son substancias que pueden ser
artificiales como substancias radioactivas, sal, etc. entre las más
utilizadas.
Se utiliza para medir las fugas en lagos y presas. Generalmente para
reducir las fugas se impermeabiliza las estructuras geológicas por
donde circula el flujo.
Consiste en inyectar un trazador en un sondeo y controlar la llegada
a otro sondeo que se encuentra a un distancia conocida.
Los flujos subterráneos se producen lentamente, es necesario
conocer el sentido del flujo para situar los sondeos y hacer varios
sondeos.

TENSIONES EN MACIZOS ROCOSOS
Todos los macizos se encuentran sometidos a tensiones naturales o
tensiones “in situ” debido a las diferentes fuerzas que actúan sobre
él, como el peso del terreno superior o tensiones gravitatorias,
fuerzas tectónicas debidas a las producidas por la corteza terrestre, o
las fuerzas remanentes debidas a movimientos tectónicos del
pasado, o debido a otras fuerzas causadas por erosión, glaciares,
etc.
El conocer las tensiones es necesario para poder predecir la
respuesta tenso-deformacional que va a tener el macizo rocoso
frente a las tensiones producidas por excavaciones o construcciones
en el mismo, elegir la orientación en túneles y minas, como el
emplazamiento, su forma, dimensiones y todas las condiciones para
su excavación o perforación, para hacer mínimas las concentraciones
de tensiones y reducir los problemas de inestabilidad.

Las tensiones internas o naturales son el punto de partida de todo
cálculo de tensiones de un macizo rocoso. En cimentaciones se
añadirán las de la estructura.
TENSIÓN VERTICAL:
En general estan del lado de la seguridad, es igual al peso específico
por la profunidad.
𝝈 𝒗 = 𝜸 ∙ 𝒛
𝜎𝑣 = tensión vertical media
𝛾 = peso específico de la roca
z= profundidad

TENSION HORIZONTAL:
Para el cálculo de las tensiones horizontales se considera un
comportamiento elástico del macizo rocoso y un empuje horizontal.
𝜎 𝐻 = 𝑘 ∙ 𝛾 ∙ 𝑧
𝜎 𝐻 = 𝑡𝑒𝑛𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎𝑠 ℎ𝑜𝑟𝑖𝑧𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠
k = coeficiente de empuje entre 0,25 y 0,33
𝛾 = peso específico del macizo
z = profundidad

METODOS DE MEDIDAS DE LAS TENSIONES
De manera general se diferencian dos grandes grupos:
- Métodos de sobretestificación
- Métodos de presurizaciones
-Método de sobretestificación: se basa en la relajación de la roca.
- Célula U.S.B.M: Se perfora un sondeo hasta la profundidad
solicitada, y se perforfa en el fondo con un diámetro menor y se
instala una célula, se sigue perforando con el diámetro mayor. La
célula mide con unos extensiómetros radiales los cambios de
diámetro en el taladro guía, en varias direcciones.

En cada medición se determinan las tensiones según el plano
perpendicular al eje del taladro. Para determinar el estado tensional
completo de la roca es preciso realizar medidas en tres sondeos de
diferentes direcciones.
-Doorstooper: el ensayo se realiza con la perforación del sondeo en
roca hasta la profundidad en que se desea medir las tensiones, en el
fondo de esta se instala la célula de medida (doorstooper), lleva una
roseta con tres extensómetros debidamente protegidos.
Instalada la célula se procede a realizar la sobretestificación,
perforando con una cabeza de perforación idéntica a la empleada
para el sondeo inicial. No se necesitala perforcación del taladro guía
puesto que la guía se instala en el fondo del sondeo.

Al sobreperoforar comienza a notarse deformaciones en los
extremos de la célula, resultado de la liberación de tensiones que se
está produciendo.
- Célula triaxial de Leeman o del CSIR: la medida se realiza dentro
de un taladro guía en el que se instala la célula, procediendo
posteriormente a la liberación de tensiones del testigo mediante la
perforación, con el diámetro del sondeo mayor del mismo.
A diferencia de los métodos anteriores este método permite
determinar el tensor de tensiones completo a partir de las
mediciones tridimensionales llevadas a cabo con una sola medición.
La célula va equipada con tres rosetas, cada una de las cuales lleva
tres o cuatro extensómetros que se adhieren a la pared del taladro.

-Taladro con fondo hemisférico: es una variante del métdo
“doorstooper”, se diferencia en la utilización de un taladro con
fondo hemisférico, y por tanto en el fondo del sondeo se toman
medidas de forma semiesférica. Toma las medidas de la semiesfera y
se obtiene el tensor de tensiones completo con una sola medición.
- Métodos de presurizaciones:
- Gato plano o método de la ranura: se colocan un par de puntos de
medida en el frente de una excavación y a continuación se perfora
una ranura entre ambos puntos. Esto produce que dichos puntos se
aproximen al liberar las tensiones de compresión, a continuación se
introduce un gato plano con la forma de la ranura dentro de la
misma.

y se presuriza el interior del mismo por medio de un fluido, de
forma que llegue a anular la deformación producida por la
excavación de la ranura.
Se toma medidas de los movimientos entre los pares de puntos de
medida situados a ambos lados de la ranura durante la apertura de
la misma y durante la presurización posterior. La presión necesaria
para anular la deformación producida por la excavación de la ranura
debe ser igual a la tensión perpendicular a la misma.
El método esta especialmente indicado para medir las tensiones
paralelas a la superficie de la roca y en las proximidades de dicha
superficie, siendo usual su empleo en túneles y minas. Para obtener
el tensor de tensiones se ensaya en seis direcciones independientes.

-Fracturación hidráulica o hidrofracturación: se basa en el análisis
de la distribución de las tensiones tangenciales que se producen
alrededor del sondeo, consiste en inyectar fluido a presión en un
tramo de sondeo previamente aislado por obturadores, midiendo la
presión del fluido necesaria para generar, propagar y mantener y
recibir fisuras.
Esta presión del fluido se relaciona con las tensiones in situ
perpendiculares al eje del sondeo, que se deducen del ensayo.
Es el más utilizado debido a la fácil adaptación a grandes
profundidades, bajo el nivel freático.

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