compresion hidrostatica-luegon

Geomecnica aplicada a la pequea minera

Tema III. HIDRULICA DEL MACIZO ROCOSO Dr. Arsenio Gonzlez Martnez Profesor de la Universidad de Huelva - Espaa Contenido 1. 2. 3. 4. 5. 6. 1. Introduccin y estado del arte El agua en el macizo rocoso Efectos del agua sobre el comportamiento del macizo rocoso en labores mineras Ejemplo de comportamiento hidrulico de macizos rocosos y su incidencia en minera El agua como factor de riesgo en la estabilizacin de taludes Bibliografa

INTRODUCCIN Y ESTADO DEL ARTE

El comportamiento mecnico de un macizo rocoso en el que se realizan labores mineras se ve seriamente afectado por la presencia de agua, pues disminuye la resistencia de las rocas a la rotura (la roca es ms fcilmente deformable) y facilita el desplazamiento de unos bloques con respecto a otros segn direcciones paralelas a los planos de rotura, al actuar como lubricante. En los movimientos en masa de cuerpos rocosos, la presencia de agua juega un papel esencial y hace que se produzcan verdaderos colapsos cuasi sbitos en el macizo rocoso, con desplazamientos horizontales y verticales de gran envergadura, lo que afecta no solo a la poblacin, al medio ambiente, a las infraestructuras, etc., sino tambin, y de manera muy importante, a las labores mineras. Generalmente el agua es omnipresente en un macizo rocoso, por lo que para controlar su accin en las labores mineras hay que conocer el origen (superficial, subterrneo, intersticial, capilar, etc.), la interrelacin agua superficial agua subterrnea, la distribucin de zonas de humedad en el macizo, el movimiento (flujo), la interaccin con la roca (mecanismos de precipitacin, disolucin, etc.), el volumen almacenado (para calcular y dimensionar obras de drenaje), e incluso la composicin puesto que afecta a las infraestructuras mineras (aguas cidas, por ejemplo, respecto a elementos metlicos de contencin o de transporte en galeras). No es posible abordar en un solo captulo de un libro de geomecnica minera todas las facetas ligadas a la presencia de agua en un macizo rocoso, por lo que centraremos nuestra atencin en los aspectos que tienen que ver con la hidrulica del macizo (distribucin, almacenamiento y flujo del agua). Los avances en el conocimiento cientfico y tcnico acerca de la presencia y accin del agua en el suelo y subsuelo son espectaculares en las dos ltimas dcadas. En lo que sigue hacemos una breve resea de los ms significativos, en relacin con la temtica que nos ocupa. Aunque los desarrollos de la Hidrologa y de la Hidrogeologa como Ciencias tienen algo ms de un centenar de aos, la inquietud humana sobre el origen y movimiento del agua se remonta a la Antigedad clsica; prcticamente todas las civilizaciones conocidas han tenido pensadores que trataron de explicar el origen de los manantiales y de las aguas de los ros. El intento de aprovechamiento del agua se puede afirmar que es tan antiguo casi como la propia humanidad. Sin despreciar los aspectos hidrolgicos (aguas superficiales) prestaremos mayor atencin a los aspectos hidrogeolgicos (aguas subterrneas) del macizo rocoso, al ser determinantes de su comportamiento geomecnico. La Hidrogeologa tiene un cuerpo de doctrina propio y bien contrastado, pero parece una realidad objetiva que puede considerarse como una rama de una Ciencia de contenido mucho ms amplio cual es la Hidrologa, en tanto que tratado del Agua. En 1981 De Marcela seala ...l'tude du cycle de l'eau, ou hydrologie au sens large, est habituellement divise en trois disciplines distinctes: la mtorologie, l'hydrologie de surface et lhydrogologie. El significado etimolgico del trmino Hidrogeologa, derivado del griego, plantea pocas dudas: hydro, geos y logos, indicara el tratado del agua en la tierra, aunque as dicho tambin admite matizaciones; la esencial se refiere al hecho de tratarse del agua en el subsuelo, como detallaremos ms adelante. La concepcin del trmino Hidrogeologa ha sido variable en el tiempo, as como la denominacin del cuerpo de doctrina de la materia, la cual ha recibido y recibe nombres

Curso - Proyecto CYTED XIII - 3 - Junio 2005 - Crdoba - Argentina


diferentes (an hoy en da). No entraremos en estos aspectos por considerarlos secundarios respecto al tema que nos ocupa, y solo indicaremos que la definicin ms completa y que ms adeptos tiene actualmente es la siguiente Castany y Margat (1977): Hidrogeologa es la Ciencia de las aguas subterrneas comprendida en las Ciencias de la Tierra que persigue el conocimiento de las condiciones geolgicas e hidrogeolgicas y de las leyes fsicas que rigen el origen, la presencia, los movimientos y las propiedades de las aguas subterrneas. Se ocupa tambin de las aplicaciones de estos conocimientos a las acciones humanas sobre las aguas subterrneas, sobre todo a su prospeccin, captacin y proteccin. Ese aspecto de la proteccin es el que en un principio hace que la Hidrogeologa conecte muy pronto con las inquietudes medio ambientales de la humanidad, aunque no es, obviamente, el nico ni el ms importante. Agua en minera, proteccin de humedales, equilibrios costeros, caudales ecolgicos en cursos de agua, etc., seran aspectos medioambientales en los que la Hidrogeologa aporta todo un cuerpo de doctrina y sin cuyo concurso es difcil avanzar en la proteccin de la naturaleza. La situacin actual de la Hidrogeologa se caracteriza por tres fenmenos interrelacionados que son comunes a todas las ramas de las Ciencias: Gran rapidez de transmisin de la informacin. Avance tecnolgico revolucionario en muchos aspectos ligados con el agua. Aplicacin del ordenador en todos los campos de la investigacin. Adems, se registra una multidisciplinariedad creciente (Davis, 1994) que obliga a reducir cada vez ms el campo de especializacin de los profesionales - son cada vez ms numerosos los llamados expertos- al tiempo que se incorporan a este campo titulados de formaciones muy diversas; as, a los titulados clsicos en Geologa, Ing. de Minas, Ing. de Caminos e Ing. Civil, se unen especialistas en Ing. Industrial, Ing. Agrnomos, Qumicos, Fsicos, Matemticos, Gegrafos, etc. El gran avance es adems fruto de la concienciacin de la sociedad del hecho de que el agua es un bien escaso cuya explotacin y uso hay que gestionar y planificar de la manera ms racional posible. El agua es, en la actualidad, el principal factor limitante del desarrollo en muchos lugares del mundo. Si a ello unimos los frecuentes perodos de sequa y/o las inundaciones catastrficas que destrozan infraestructuras, se comprender que la investigacin sobre el agua no es un lujo, sino una necesidad imperiosa para la humanidad, en los pases desarrollados para mantener la calidad de la vida, y en los subdesarrollados para subsistir. La consecuencia inmediata de dicha toma de conciencia ha sido la potenciacin, por parte de los pases ms avanzados y/o ms necesitados de agua, de Centros de Investigacin, Departamentos Universitarios y Laboratorios Aplicados, en donde se abordan la mayor parte de los problemas relacionados con el agua: cantidad, calidad, prospeccin, captacin, proteccin, etc. Fruto de este esfuerzo son una serie de informes, memorias, libros y artculos de difusin variable, pero en general fcilmente localizables, a lo cual est contribuyendo mucho la revolucin de Internet. Existe en la actualidad un gran potencial humano distribuido en todo el mundo, apoyado en grandes medios tcnicos y econmicos, de forma que en pocos meses se consigue avanzar ms que en varios siglos de pocas pretritas. En la prctica totalidad de las lneas de actuacin e investigacin de la Hidrogeologa (y en especial en la temtica que nos ocupa en este captulo) se ha introducido el ordenador; pero el uso del ordenador requiere la cuantificacin, y sta de la toma fiable del dato en el terreno. Esta herramienta permite el tratamiento rpido de gran volumen de informacin y el contraste de la consistencia de hiptesis de trabajo con el uso simultneo de numerosos parmetros. Ahora bien, y de acuerdo con la opinin de muchos otros autores (Peck et al., 1988; Anderson y Wenner, 1992), a veces se corre el riesgo de saber utilizar herramientas muy potentes sin dominar o conocer adecuadamente los principios ms elementales, o lo que es peor, desconocer el procedimiento de adquisicin del dato y carecer de la base adecuada para la deteccin del error. Alguno de los autores citados culpa de ello al dficit formativo del nuevo profesional. Segn Cramer (1987), algunos de los graves problemas a afrontar en este milenio conciernen a la explotacin de las aguas (subsidencia inducida en el medio, agotamiento de recursos, intrusin salina marina), contaminacin de aguas y suelos (por actividades agrcolas, mineras, residuos industriales, etc.), cambios inducidos en el medio natural y gestin del agua. El desarrollo futuro de la Hidrogeologa es de difcil prediccin (Kundwewicz et al., 1987; Banton y Razack, 1993), pero se pueden avanzar las siguientes lneas:



Profundizacin y matizacin de las leyes ya existentes con cuantificacin de diferentes parmetros no tenidos en cuenta en el enunciado de las mismas, o supuestos de influencia despreciable. Avance en las tcnicas de gestin y planificacin, de la mano de la investigacin operativa, teniendo en cuenta aspectos tan tradicionales como la cantidad, la calidad y otros menos tangibles como el valor ecolgico, paisajstico y tradicional. Profundizacin en el estudio de los procesos de contaminacin y en las tcnicas de depuracin de las aguas. Planificacin del uso del suelo, desde el punto de vista de la conservacin del recurso agua. Aplicacin de los avances en otras ciencias y/o tcnicas, al dominio de las aguas subterrneas (tecnologa nuclear e isotpica, por ejemplo). En este sentido, y desde la ptica de la hidrulica del macizo rocoso, parece interesante sintetizar algunas de las ideas de Custodio (1995), que considera, entre otros, cuatro aspectos hidrogeolgicos de partida: El El El El terreno como fuente de recursos de agua. terreno como medio que recibe, transmite y cede agua. agua del terreno y los procesos de la tierra. agua como vehculo de transporte.

Este mismo autor considera que las tendencias de la Hidrogeologa para dar respuesta a los aspectos reseados se dirigen en los cinco frentes siguientes: 1. Mayor especializacin de investigadores y profesionales, trabajando en equipos multidisciplinares (hidrogelogos, mineros, geomecnicos, etc.); cada miembro tiene que tener una base hidrogeolgica suficiente como para que el dilogo sea factible. 2. Mayor nfasis en la cuantificacin. 3. mbito integral de los estudios, incluyendo el medio no saturado y saturado, los medios de muy baja permeabilidad, los medios fisurados, etc., y empleo de modelos cada vez ms prximos a la realidad. 4. Estudios sobre calidad y transporte de masas. 5. Desarrollo de los sistemas de observacin y muestreo. Todo ello tiende a ser posible merced al notable avance tecnolgico en los siguientes frentes, entre otros (Custodio, op. cit): Observacin y muestreo de detalle de numerosos parmetros y a muy diversas profundidades, en medios de caractersticas muy diferentes (saturado, no saturado, de baja permeabilidad, etc.). Aplicacin de sensores remotos acoplados a sistemas que permiten el tratamiento automatizado de la informacin. Tcnicas especficas de caracterizacin hidrogeolgica del medio. Tcnicas de simulacin que permiten la incorporacin de los procesos en la franja no saturada y el conocimiento de las relaciones aguas superficiales - aguas subterrneas, los medios discontinuos, etc. Las propiedades geomecnicas del macizo rocoso son muy importantes en la estabilidad de las labores a cielo abierto y subterrneas. La presencia de agua en los huecos de la roca (poros y/o fisuras) modifica el comportamiento geomecnico al alterar la estabilidad y facilitar el movimiento de las masas rocosas; Papel esencial juegan las discontinuidades estructurales (diaclasas, fallas, esquistosidad, juntas, planos de estratificacin; Foto 1) al ser planos de debilidad del macizo que facilitan el almacenamiento y la circulacin del agua, que acta como lubricante facilitando y acelerando el movimiento de bloques. Muy importante es la conexin hidrulica entre el agua subterrnea y el agua superficial en la zona de recarga, pues aumenta el flujo de agua capaz de provocar erosin y disolucin de materiales.



Foto 1. Discontinuidades estructurales en un macizo rocoso (Collantes et al., 2004)

La conexin del sistema de fisuras del macizo rocoso con el ciclo hidrolgico superficial, y la existencia de un flujo de agua subterrnea significativo a travs del mismo, se pone en evidencia por tendencias de ascenso en los hidrogramas de fluctuacin del nivel piezomtrico en piezmetros tanto superficiales (algunos m hasta alguna decena de m) como profundos (hasta algn centenar de m); En stos ltimos, la tendencia creciente se suele atribuir a ...una respuesta de la recarga muy intensa frente a la precipitacin estacional. Esto est indicando justamente que existe una recarga intensa de agua meterica, y que hay una respuesta a la misma en los sectores ms profundos que se han medido dentro del macizo rocoso, lo cual evidencia la circulacin de las aguas en profundidad, a travs de las fisuras del macizo rocoso; O sea, confirma la existencia de un flujo subterrneo a travs del macizo rocoso, directamente conectado con el ciclo hidrolgico superficial (Mximo, 2002). La respuesta de los niveles piezomtricos a la recarga meterica evidencia la existencia de caminos de flujo, y dado que los niveles ms profundos investigados responden a la recarga meterica, resulta indudable la existencia de una permeabilidad que no es despreciable. Como la situacin se da en un macizo de roca volcnica dura carente de permeabilidad primaria significativa, se deduce ineludiblemente la existencia de una permeabilidad por fisuracin (Mximo, op. cit.). Para la modelacin del comportamiento de un macizo rocoso fisurado hay que tener en cuenta que es contraproducente emplear valores de permeabilidad promedio, pues ser una variable abstracta que de poco servir al considerar al macizo de roca como si fuera un material sedimentario homogneo. Por tanto, habr que determinar la permeabilidad por fisuras ya que puede haber flujos importantes a travs de las mismas, an cuando la permeabilidad promedio del macizo sea pequea, puesto que el comportamiento hidrolgico - hidrulico del macizo rocoso es heterogneo. El nivel de impacto del recurso hdrico est en ntima relacin con las zonas de permeabilidad ms alta dentro de la masa de roca, y en tal sentido las herramientas tcnicas para su evaluacin no son compatibles con simplificaciones conceptuales en la simulacin que se pueda realizar. Uno de los principales avances en la investigacin actual es el estudio de caractersticas hidrulicas del macizo rocoso en condiciones no perturbadas. Esto es muy importante en minera, pues sabemos que la circulacin del agua subterrnea en el macizo rocoso puede verse alterada (a menudo intensificada) por los efectos del uso de explosivos sobre el sistema de fisuras preexistente, o por la fracturacin que se origine como consecuencia de la explosin, y que la excavacin de las



galeras produce una zona alterada de mayor "porosidad" y conductividad hidrulica que la roca no afectada; dicha zona puede convertirse en un camino preferente para la migracin de aguas, con la consiguiente disminucin de la resistencia de las rocas, por lo que es de mucho inters la determinacin de su espesor y de sus propiedades hidrulicas. Un paso en este sentido es la caracterizacin hidrogeolgica del macizo rocoso mediante la realizacin de ensayos hidrulicos in situ. A los tradicionales ensayos geotcnicos para determinar la permeabilidad en suelos (Lefranc, Gilg-Gavard, Matsuo, Haefeli) le siguen los ensayos con obturadores en el interior de sondeos para determinar semi cuantitativamente la permeabilidad en macizos rocosos (el ensayo Lugeon es el ms extendido, Fig. 1), y que permiten incluso clasificar los tipos de macizos rocosos en funcin de su permeabilidad (Tabla 1) (Gonzlez et al., 2002).

Figura 1. Ensayo Lugeon. A) Obturador simple.

B) Obturador doble (Gonzlez et al., 2002)

Tabla 1. Clasificacin de macizos rocosos en funcin de la permeabilidad (Gonzlez et al., 2002) Tipo de macizo Unidades Lugeon Presin Muy impermeable 0-1 10 Prcticamente impermeable 1-3 10 Permeable >3 10 1,5 - 6 5 Muy Permeable >3 10 >6 5

Olalla y Sopea 1991Un avance ms es la caracterizacin hidrulica in situ en macizos rocosos de permeabilidad moderada a baja en medios fracturados. De ello hay buenas experiencias en Espaa con ensayos en sondeos de investigacin minera y a diferentes tramos de profundidad, mediante vehculos especialmente equipados (vehculos de caracterizacin hidrogeolgica), como por ejemplo los realizados por AITEMIN en los estudios hidrogeolgicos de Mina Fe (AITEMIN, 2001) y de Mina Ratones (AITEMIN, 2002), o en los ensayos hidrulicos de El Cabril (AITEMIN, 2004 a). El objeto de los estudios fue elaborar un modelo conceptual hidrogeolgico que sirviera de base para la comprensin del funcionamiento hidrulico en medios fracturados, y han permitido obtener los



parmetros hidrulicos del medio en el entorno prximo de los tramos de sondeos caracterizados, fundamentalmente la conductividad hidrulica y la transmisividad. Un vehculo de caracterizacin hidrogeolgica (AITEMIN, 2005) tiene por finalidad la realizacin de ensayos hidrulicos y la toma de muestras de agua en sondeos, que son herramientas comunes en la investigacin hidrogeolgica. Desde hace unos aos a los tradicionales ensayos de bombeo se han unido otros ms especficos, dedicados fundamentalmente a la caracterizacin de medios de moderada a baja permeabilidad, para cuya realizacin se hace imprescindible disponer de un equipamiento igualmente especfico. AITEMIN dispone de una unidad mvil de Hidrogeologa (Foto 2), de diseo propio, para la realizacin de trabajos altamente especializados en sondeos situados en zonas de difcil acceso. Concebida con el objetivo de minimizar el tiempo necesario para la realizacin de ensayos en sondeos, el vehculo permite la testificacin hidrulica y la toma de muestras de agua entre obturadores en sondeos de hasta 45 de inclinacin y hasta 500 m de profundidad, la realizacin de anlisis fsico - qumicos bsicos de muestras de agua y la instalacin de dispositivos especiales, temporales o permanentes, para el control piezomtrico e hidroqumico de acuferos.

Foto 2. Realizacin de ensayos hidrulicos y toma de muestras de agua entre obturadores con la unidad mvil de Hidrogeologa (AITEMIN, 2005)

En el equipamiento de la unidad es de destacar el panel electrnico con los elementos necesarios para la ejecucin y control de los ensayos: sistemas de adquisicin de datos, sistema de control remoto de vlvulas y suministro elctrico requerido para el funcionamiento de los anteriores, el sistema de inyeccin para la realizacin especfica de ensayos de inyeccin a nivel o caudal constantes y el control y regulacin del flujo en ensayos de extraccin, el sistema de presin para el control del inflado/desinflado de obturadores, apertura de vlvulas neumticas de la instrumentacin de testificacin hidrulica y presurizacin del tanque de presin para la realizacin de ensayos de inyeccin, los sensores de presin sumergibles de 0,1% de precisin combinada (repetibilidad, linearidad e histresis) y rangos de 5 a 60 bar, los registradores de datos (datalogger) Campbell para medicin en continuo y las bombas sumergibles de distintos rangos para toma de muestras de aguas y realizacin de ensayos de bombeo de bajo caudal (AITEMIN, op. cit.). Otro paso que contribuye al avance del conocimiento cientfico de las propiedades hidrulicas in situ del macizo rocoso es la investigacin de rocas compactas fisuradas y la comprensin del funcionamiento hidrulico en medios fracturados. Por ejemplo, en Europa se realizan ensayos para la caracterizacin hidrulica de macizos granticos en el tnel del proyecto FEBEX (AITEMIN, 2004 b), en el laboratorio subterrneo de Grimsel (Suiza) (http://www.grimsel.com/). FEBEX (Full-Scale Engineered Barriers Experiment in Cristaline Host Rock) es un proyecto multinacional coordinado por ENRESA (http://www.enresa.es/) en el que se experimenta acerca del comportamiento y viabilidad del sistema de barreras de ingeniera para el almacenamiento de residuos de alta actividad en formaciones granticas (Fotos 3 y 4).



Foto 3. Vista del Tnel Layout (en rojo la V fase del proyecto) (http://www.grimsel.com/general/location_v.htm)

Foto 4. Trabajos del Proyecto FEBEX (http://www.enresa.es/)

La actividad desarrollada ha comprendido la realizacin de ensayos hidrulicos (pulsos y extraccin de agua con caudal constante) en tramos de sondeos independizados mediante obturadores. Los resultados alcanzados en el proyecto son tanto metodolgicos como tcnicos. Por una parte se ha puesto a punto un nuevo software de adquisicin y gestin de datos que permite interpretar los ensayos en campo con mtodo inverso de una manera rpida. Esto es aplicable tanto para futuras campaas en FEBEX como para la realizacin e interpretacin de ensayos hidrulicos en otras localizaciones. Se han medido valores de transmisividades hidrulicas de entre 4.10 -7 y 1.10-11 m2/s (AITEMIN, op. cit.). Los valores altos de transmisividad se corresponden con las principales estructuras identificadas en el modelo hidro - estructural local, como son un dique de lamprfido, una fractura normal, una fractura en echelon y una zona de cizalla. Se han realizado ensayos de interferencia entre sondeos para caracterizar estas estructuras, que han permitido identificar y cuantificar las conexiones hidrulicas entre el punto de bombeo y los intervalos de observacin. Finalmente, un paso ms es la cartografa y caracterizacin in situ de las fracturas y discontinuidades que controlan el flujo del agua subterrnea en el macizo rocoso, en medios de muy baja permeabilidad y que tradicionalmente se catalogan como impermeables. Por ejemplo, en Europa se llevan a cabo experiencias de investigacin en un macizo rocoso de arcillas (Opalinus clay) en el laboratorio subterrneo de rocas de Mont Terri (Suiza) ( ttp://www.mont-terri.ch/), un h tnel en el que se investigan las caractersticas geolgicas, hidrogeolgicas, geoqumicas y geotcnicas de una roca arcillosa, caractersticas que son de gran importancia en el grado de seguridad de cualquier almacenamiento subterrneo de desechos radiactivos o qumicos. Entre otras, se determinan caractersticas hidrulicas muy importantes en el comportamiento mecnico de este tipo de macizos rocosos (frecuentes de encontrar en las labores mineras a cielo abierto y subterrneas), como la existencia de agua subterrnea (estos materiales no son impermeables sensu estricto), la permeabilidad de la roca, la caracterizacin estructural e hidrulica de la zona de excavacin perturbada (que induce flujos diferenciales y concentrados en esa zona), la presin de agua intersticial, la deformacin en galeras y en sondeos, y el tensor de esfuerzos (Foto 5).



Foto 5. Equipo de sondeos trabajando en el interior del tnel del laboratorio subterrneo de rocas de Mont Terri (Suiza) (http://www.mont-terri.ch/)

2.

EL AGUA EN EL MACIZO ROCOSO

La trama del macizo rocoso es el armazn o soporte del agua y condiciona su comportamiento hidrulico, por lo que hay que conocerla y conocer tambin las categoras de agua presentes, su distribucin en diferentes zonas de humedad y las propiedades hidrulicas del macizo. La presencia y movimiento de agua en el suelo y subsuelo es slo uno de los caminos por los que puede discurrir el agua dentro del ciclo hidrolgico (Figura 2).

Figura 2. El ciclo del agua (Castany, 1971)



El agua penetra en el macizo rocoso por infiltracin de la lluvia, o por el lecho de un ro o lago que se encuentre por encima del nivel fretico. Son las zonas de recarga o niveles energticos ms altos, para las aguas subterrneas. A partir de ah, el agua circula en profundidad y por infiltracin eficaz recarga a los acuferos y circula por ellos. Las aguas se desplazan por el acufero desde los niveles energticos ms altos (recarga) a los puntos ms bajos (descarga). Estas zonas de descarga pueden ser ros o lagos por debajo del nivel fretico, manantiales, el mar, etc. La energa necesaria para el movimiento del agua subterrnea procede esencialmente de las diferencias de nivel topogrfico y de la presin hidrulica. La escorrenta superficial (en ros) y subterrnea (en acuferos) estn estrechamente unidas, tal como se muestra en las diversas situaciones ilustradas en la Figura 3. Por ejemplo un ro puede actuar de zona de recarga en un tramo de su cauce y de descarga en otro, pasando de ser un ro perdedor (ro influente) en el primer caso a ser un ro ganador (ro efluente) en el segundo.

Figura 3. Relaciones aguas superficiales aguas subterrneas

Los distintos usos funcionales del agua requieren una manipulacin del ciclo natural con el fin de transportar y almacenar agua, regular el nivel, aumentar la eficiencia del drenaje, etc. El hombre influye en el agua de dos formas distintas (Falkenmark, 1988): directamente, modificando el rgimen de circulacin y la calidad de las aguas mediante extraccin, vertido de aguas residuales, regulacin fluvial, etc. Indirectamente, alterando la vegetacin y la cobertura del suelo mediante actividades relacionadas con el uso del terreno, lo que modifica la circulacin del agua en el macizo rocoso y su calidad. La Figura 4 resume las interacciones singulares en el sistema agua - hombre, en un esquema simple y generalizado (Falkenmark, op. cit.).



PrecipitacinAgua del sueloVEGETACION

Evaporacin

USOS SUSTRACTIVOSEliminacin de la cobertura de suelo Cambios en el uso de la tierra

USOS SUSTRACTIVOS Regado

Agua Fluvial

Usos domsticos

Procesos industriales

Produccin de energa

Agua del manto fretico

Enfermedades producidas por la contaminacin

enfermedades vinculadas al agua

Avenidas e

Erosin y

Inundaciones

Sedimentacin

Enfermedades vinculadas al agua Estructuras Intrapluviales

USOS INTRAFLUVIALESPesca Energa hidralica Navegacin Recreo

Mar

Cambios ecolgicos

Flujo Normal de agua y compartimientos de almacenamiento Utilizacin y extraccin por el hombre

Otras manipulaciones de origen humano Perturbaciones resultantes Perturbaciones de tipo natural y antropognicas

Figura 4. Esquema simplificado de las interacciones singulares en el sistema agua - hombre (Falkenmark, 1988)

La vegetacin y el suelo constituyen la zona clave de la fase terrestre del ciclo del agua; la actividad en esta zona determina el fraccionamiento de la precipitacin: una parte es tomada por la vegetacin y vuelve a la atmsfera, mientras que el resto va a las formaciones subterrneas. Por eso, todo cambio en la utilizacin de la tierra que modifique la cobertura vegetal, la densidad del follaje, la profundidad de las races, el desarrollo del sistema radicular, la permeabilidad del suelo, las desigualdades del relieve, etc., implica cambios en el agua del suelo y subsuelo que afectan al comportamiento hidrulico del macizo rocoso.

Figura 5. Perfil del suelo (Custodio y Llamas, 1983)



El suelo es el resultado de cambios fsicos y qumicos y de la actividad orgnica sobre la roca madre a travs del tiempo. Un perfil tpico del suelo muestra diferentes horizontes (Figura 5): Horizonte A: rico en materia orgnica, generalmente de tono oscuro y, con el tiempo, empobrecido por las aguas, por lo que recibe el nombre de horizonte de lavado o eluvial. Horizonte B: aparece debajo del A como depsito de las sustancias arrastradas por el agua desde el horizonte superior. Se le conoce como horizonte de acumulacin o iluvial. Naturalmente el proceso descrito anteriormente puede sufrir importantes modificaciones. Roca madre (horizonte C). En general el horizonte A es ms permeable que el B, pues en este se acumulan arcillas y coloides que cementan los materiales ms gruesos. Las acciones del hombre en minera (excavaciones a cielo abierto, galeras subterrneas, voladuras, etc.) alteran las condiciones de equilibrio natural del terreno, y la reaccin ser diferente segn se trate de un suelo o de un macizo rocoso. La respuesta es compleja en todos los casos, pero en el segundo, al ser materiales frgiles, el grado de deformacin puede alcanzar la rotura (Figura 6) y sta va a depender del tipo de materiales, presencia de discontinuidades, zonas de alteracin, resistencia mecnica de la roca, presencia de agua, profundidad, etc., y pueden producirse diaclasas e incluso roturas con desplazamientos de cierta envergadura (fallas).

Resistencia a la compresin Esfuerzo en kilogramos por centmetro cuadrado40.000

Limite de Proporcionalidad A30.000

Ruptura (resistencia)

Ruptura20.000

B

A = Sustancias Dctiles B = Sustancias Frgiles

10.000

0

1

2

3

4

5

6

Deformacin - Porcentaje de acortamientoFigura 6. Ejemplo de curva esfuerzo deformacin para ensayos de compresin. En el caso de ensayos a tensin o cizalla la roca es menos resistente y se alcanza antes la rotura (Billings, 1980)

En el caso de suelos, o de macizos con rocas incoherentes (muelles), al estar formados por materiales sueltos la respuesta mecnica a las acciones antrpicas va a ser muy diferente y va a depender de la granulometra, porosidad, permeabilidad y presencia de agua, y va a originar desplazamientos y giros de unas partculas con respecto a otras (Figura 7), no llegando normalmente a la rotura, por lo que la resistencia va a quedar definida por la deformabilidad del material, o sea la capacidad de movimiento relativo de las partculas (por movimientos normales y tangenciales a los granos minerales), lo que se traduce en cambios del volumen aparente, cambios de porosidad, compactacin, etc.; El flujo del agua en el suelo condiciona la respuesta geomecnica ante esfuerzos externos, pues las deformaciones inducidas por cargas necesitan un



tiempo de respuesta denominado consolidacin (Gonzlez et al., 2002)- para estabilizarse (el de absorcin o expulsin de agua por los poros). Por tanto, para conocer el comportamiento mecnico de un suelo o un macizo rocoso a las acciones antrpicas asociadas a las labores mineras, hay que aplicar una metodologa basada en la identificacin (granulomtrica y litolgica), determinacin de los parmetros hidrulicos (porosidad, permeabilidad, transmisividad y coeficiente de almacenamiento), y determinacin de su comportamiento hidrulico (conocimiento de la humedad, grado de saturacin y flujo del agua subterrnea).

Figura 7. El suelo como complejo sistema particulado (Gonzlez et al., 2002)



El suelo y las rocas constituyen el medio poroso por el que circula el agua subterrnea bajo la accin de diversas fuerzas. Este medio poroso, est formado por un agregado de partculas minerales, dejando huecos, poros o intersticios entre ellas, los cuales pueden estar llenos de agua, gases, o partculas orgnicas y minerales de menor tamao. La granulometra se emplea para materiales sueltos (incoherentes) y establece la distribucin por tamaos de grano en la muestra. La representacin ms utilizada es la curva granulomtrica acumulativa. Hazen define ciertos parmetros que permiten comparar unas curvas con otras con otras (Figura 8): Dimetro dx es el dimetro tal que, en la curva acumulativa, exista x%, en peso de sedimento, de granos inferiores a este dimetro. Dimetro eficaz -d 10- es tal que el 10% del peso de la muestra, tiene un dimetro menor. Juega importante papel en estudios de permeabilidad. Coeficiente de uniformidad (coeficiente de Hazen) - d60/d10 - estando definido d60 de forma anloga a la empleada para d10. La granulometra es tanto ms uniforme cuanto menor es este coeficiente. La porosidad tanto mayor cuanto ms se acerca a 1.

Figura 8. Curva granulomtrica acumulada (Castany, 1971)

La identificacin litolgica se lleva a cabo con estudios mineralgicos petrolgicos, tanto en materiales incoherentes como en rocas compactas, y sirve para caracterizar minerales y rocas presentes, de cuya composicin y caractersticas texturales y estructurales depender, en buen grado, el comportamiento mecnico del suelo o del macizo rocoso. Forma parte del estudio geolgico que se realiza para caracterizar la trama del suelo o del macizo rocoso, que, como se ha dicho al inicio de este epgrafe, es el armazn o soporte del agua. A continuacin, y avanzando un paso ms en el sentido de conocer el comportamiento mecnico de un suelo o un macizo rocoso a las acciones antrpicas asociadas a las labores mineras, hay que determinar los parmetros hidrulicos: porosidad, m permeabilidad Darcy, k transmisividad, T coeficiente de almacenamiento, S



Sirven para conocer el estado inicial del suelo o del macizo rocoso y su capacidad para almacenar y transmitir el agua, y establecer el modelo real de comportamiento a partir de modelos simplificados (Figura 9).

Figura 9. Modelo simplificado equivalente a una muestra representativa del suelo (Gonzlez et al., 2002)

Nos ocupamos ahora de la porosidad y permeabilidad, y cuando se describan los acuferos hablaremos de los otros dos parmetros. Porosidad, m La porosidad de un material viene expresada por la relacin entre el volumen de su parte vaca u ocupada por aire y/o agua y su volumen total. Si se considera un cierto volumen de una muestra de roca o suelo (Figura 10) la porosidad es m = (Vv/V)100, con:

Figura 10. Porosidad (Castany, 1971)

- a) volumen de la parte slida (Vs) - b) volumen de huecos (Vv) - c) volumen total (V = Vv + Vs)



No se debe confundir este concepto con el de ndice de huecos usado en mecnica de suelos que viene dado por la relacin: e = Vv/Vs El tipo de empaquetado de las partculas que componen una roca, determina el tipo de poro, y asimismo la porosidad total. En la mayora de los tratados de hidrogeologa se encuentra la clasificacin de Meinzer, que relaciona la estructura de las rocas con su porosidad, tal como expresa la Figura 11.

Figura 11 (in Custodio y Llamas, 1983)

En la porosidad influyen varios factores, entre los que distinguiremos los siguientes: a) Forma de los granos minerales, que determina la forma y dimensiones de los poros. b) Disposicin de los granos minerales en el espacio, segn modelos geomtricos perfectamente definidos; existen seis agrupaciones diferentes de un mismo tamao de grano, y la porosidad vara casi hasta el doble entre algunas de ellas (Slichter, Granton y Fraser, 1935; in Schneebeli, 1966; cit. Castany, 1971). c) Tamao del grano. Su influencia en la porosidad es manifiesta, tal como muestra la Figura 11. En la prctica no es frecuente encontrar uniformidad en los granos. Por tamizado y sedimentacin se establece la granulometra del material en cuestin, aunque la determinacin de la porosidad a partir de la granulometra es muy difcil de establecer si se considera que alguno de los factores determinantes de la porosidad (empaquetamiento, por ejemplo) no queda reflejados en una granulometra, lo que hace que los valores hallados a travs de ensayos de este tipo deban tomarse con mucha reserva. Adems, hay que indicar que en materiales sueltos, como un macizo de arenas por ejemplo, la porosidad depende del grado de compactacin de los granos, de su forma y distribucin por tamao. Los granos pequeos pueden introducirse en los huecos existentes entre los granos de mayor dimetro, actuando de matriz, de forma que un medio heteromtrico (granos de tamaos variados) suele tener una porosidad menor que otro en el que los granos estn bien clasificados (tamaos uniformes). Evidentemente, lo que se acaba de decir no es aplicable a rocas que presentan permeabilidad por disolucin o fracturacin, como es el caso, por ejemplo, de las rocas calcreas,



de los materiales salinos (halita, yeso, anhidrita), de los granitos fisurados, etc. (Figura 11), pues en materiales consolidados la porosidad depende del grado de cementacin y del estado de disolucin y de fracturacin de la roca. En el caso de que la porosidad dependa del tamao y distribucin de los granos de la roca, se la conoce como porosidad primaria, y secundaria cuando es producida por fenmenos tales como la disolucin del cemento o matriz, disolucin a gran escala de poros y fisuras en rocas solubles o controladas estructuralmente por la fracturacin, como es el caso ms frecuente de rocas como calizas, granitos, gneises, etc. Algunos tipos de rocas como las calizas y las areniscas pueden presentar ambos tipos de porosidad, primaria y secundaria. La porosidad es una medida de la capacidad acufera de un medio y, como se puede esperar, juega un importante papel en la aptitud del mismo a efectos de la transmisin del agua. Esta aptitud se expresa por la conductibilidad hidrulica (k). La relacin entre la porosidad y la conductibilidad hidrulica no es simple, ya que, adems de la porosidad, intervienen otros factores que tambin la afectan. Por ejemplo las arenas tienen una porosidad menor que las arcillas, que estn constituidas por partculas laminares de gran superficie especfica lo que origina fuerzas moleculares entre el agua y las partculas, que atrapan el agua y no la dejan circular libremente por el macizo rocoso. A pesar de su menor porosidad, los materiales arenosos tienen una buena conductibilidad hidrulica y constituyen buenos acuferos, mientras que las arcillas dan lugar a acuicludos o en el mejor de los casos a acuitardos, como veremos ms adelante. Porosidad eficaz y retencin especfica, me y ms Un hecho comprobado - tanto por bombeo en acuferos como en ensayos de investigacin en laboratorio- es que de las reservas en agua del suelo, slo es recuperable mediante captaciones el agua gravfica, que es una parte de la porosidad total. El agua de retencin viene expresada por la capacidad de retencin especfica del terreno ms: ms = (Vr/V)100 Con Vr = volumen del agua retenido por la roca inicialmente saturada una vez evacuada el agua gravfica, y V = volumen total (Figura 12).

Figura 12. Elementos del complejo slido - agua - aire en volmenes. a) roca saturada; b) roca no saturada (Castany, 1971). Va vol. aire; Ve vol. agua libre; Vr vol. agua retencin; Vv vol. vacos; Vs vol. fase slida

El volumen de agua contenido en una roca que se libera por la accin de la gravedad, y que se denomina V e (volumen de agua libre), est determinado por la porosidad eficaz me, es decir: me = (Ve/V)100 Por lo tanto, la porosidad total m es igual a la suma de la porosidad eficaz m y de la e capacidad de retencin especfica ms: m = me + ms



La porosidad eficaz no representa ms que una porcin a menudo pequea de la porosidad total (me

compresion hidrostatica-luegon

Documents

Transcript of compresion hidrostatica-luegon