Propuesta Metodológica para la Construcción de un Modelo...

Propuesta Metodológica para la Construcción de un Modelo Hidrogeológico Conceptual de un

Túnel en Roca Fracturada en la Cordillera Central, Departamento de Antioquia

Jessica Quiroz García

Universidad Nacional de Colombia –Sede Medellín

Facultad de Minas

Posgrado en Ingeniería-Geotecnia

Medellín, Colombia

2016

Propuesta Metodológica para la Construcción de un Modelo Hidrogeológico Conceptual de un

Túnel en Roca Fracturada en la Cordillera Central, Departamento de Antioquia

Jessica Quiroz García

Tesis o trabajo de investigación presentado como requisito parcial para optar al título de:

Magister en Ingeniería-Geotecnia

Director:

Ms.C., Francisco Javier Nanclares Arango

Línea de Investigación:

Hidrogeología en medios fracturados

Universidad Nacional de Colombia-Sede Medellín

Facultad de Minas

Posgrado en Ingeniería-Geotecnia

Medellín, Colombia

2016

Contenido III

Agradecimientos

A Dios por darme todo lo necesario para realizar esta maestría, porque este trabajo y el

resto de mi vida profesional sea para su gloria y servicio.

A mis padres por su apoyo incondicional, por creer en mí y por brindarme la oportunidad

de tener mis primeras bases como profesional.

A mi novio Sebastian, por su comprensión, acompañamiento y ayuda en todo este

proceso, por alentarme a seguir y no desfallecer, por estar siempre ahí cuando lo

necesité. Sin su ayuda nada de esto hubiera podido ser posible.

A mi director Francisco Nanclares, por su dedicación, apoyo y asesoría.

A Servicios Hidrogeológicos Integrales S.A.S, por darme el espacio para realizar la

maestría y brindarme toda la asesoría necesaria para el desarrollo de esta investigación.

A mis compañeros de trabajo por su ayuda y apoyo, en especial a Natalia, Rubén,

Katherine, Breiner, Sebas B. y Marcos.

A la profesora María Victoria Vélez por su asesoría y orientación en esta investigación.

A Francisco Barbosa por disponer de su tiempo para asesorarme.

A EPM, Pi Épsilon, Mineros S.A e Hidralpor por suminístrame la información necesaria

para el desarrollo de la investigación.

Contenido IV

Resumen

En este trabajo se establecen los aspectos fundamentales que deben considerarse para

desarrollar un modelo hidrogeológico conceptual de un túnel localizado en el ambiente

geológico de rocas fracturadas de la Cordillera Central. La propuesta está enfocada a

definir los elementos y herramientas que pueden orientar en la predicción de las zonas

donde se generan los mayores influjos hacia una excavación subterránea. Los resultados

del trabajo son un aporte y pueden servir como instrumento de apoyo para realizar una

adecuada prospección y modelamiento hidrogeológico, que permita aproximar el modelo

numérico a las condiciones reales.

Se partió fundamentalmente del análisis del estado del arte de la hidrogeología en

medios fracturados. Las conclusiones de estos estudios se evaluaron utilizando la

caracterización geológica y geotécnica de los registros de filtraciones de varios túneles

en el departamento de Antioquia. De esta manera se trató de identificar los patrones e

indicadores geológico-estructurales que condujeran a identificar las fracturas

hidráulicamente conductivas.

Palabras clave: Metodología, hidrogeología, modelo conceptual, medio fracturado, túnel,

Cordillera Central, influjos, Antioquia.

Contenido V

Abstract

The fundamental aspects required to develop a hydrogeological conceptual model of a

tunnel located in the fractured rocks of the Central Cordillera, Antioquia Province,

Colombia, are presented. The proposal focused in defining the elements and tools that

can be used to identify the areas where major inflows might be expected during tunnel

excavation. The results of this investigation is useful to prepare adequate hydrogeological

exploration and modelling programs so that results represent actual conditions.

The first stage of the work was the review of the state of the art in hydrogeological

studies. Then, the conclusions of these state of the art studies were evaluated using the

geological, geotechnical and water flow records of three tunnels located in the province of

Antioquia. The final objective of the work was to identify geological and structural patterns

that help to identify hydraulic conductive fractures.

Key words: Methodology, hydrogeology, conceptual model, fractured geology, tunnel,

Central Cordillera, inflows, Antioquia.

Contenido VI

Contenido

Pág.

Agradecimientos .............................................................................................................III

Resumen ......................................................................................................................... IV

Abstract ........................................................................................................................... V

Contenido ....................................................................................................................... VI

Lista de figuras ............................................................................................................ VIII

Lista de tablas .............................................................................................................. XIV

Introducción .................................................................................................................... 1

1. Marco Teórico y Antecedentes ............................................................................... 5 1.1 Flujo de Agua en Medios Fracturados ............................................................. 5 1.2 Estado del Arte de la Modelación Hidrogeológica en Rocas Fracturadas ........ 9

1.2.1 Antecedentes .......................................................................................10 1.2.2 Enfoques en Medios Fracturados ........................................................12 1.2.3 Herramientas para la Modelación ........................................................16 1.2.4 Requerimientos en Colombia para la Modelación Hidrogeológica........18 1.2.5 Métodos de Estimación de Infiltraciones en Túneles para Medios Fracturados ........................................................................................................19

2. Metodología .............................................................................................................23

3. Zona de Estudio ......................................................................................................27 3.1 Descripción General .......................................................................................27 3.2 Descripción General .......................................................................................28

3.2.1 Marco Geológico ..................................................................................28 3.2.2 Geología Estructural ............................................................................33

3.3 Marco Geomorfológico ...................................................................................37 3.4 Marco Hidrológico ..........................................................................................40

3.4.1 Hidrografía ...........................................................................................40 3.4.2 Variables Climatológicas ......................................................................41

3.5 Marco Hidrogeológico.....................................................................................42 3.5.1 Descripción General ............................................................................42

4. Caracterización Geomecánica e Hidrogeológica ..................................................47 4.1 Túnel de Conducción Central Hidroeléctrica Providencia III ...........................49

4.1.1 Geología ..............................................................................................50

Contenido VII

4.1.2 Geomorfología .................................................................................... 54 4.1.3 Tendencias Estructurales en el Proyecto ............................................ 56 4.1.4 Caracterización de las Tendencias Estructurales en el Túnel .............. 61 4.1.5 Análisis de Resultados y Validación de Hipótesis ................................ 65

4.2 Túnel del Proyecto Hidroeléctrico Carlos Lleras Restrepo ............................. 77 4.2.1 Geología ............................................................................................. 78 4.2.2 Geomorfología .................................................................................... 81 4.2.3 Tendencias Estructurales en el Proyecto ............................................ 82 4.2.4 Caracterización de las Tendencias Estructurales en el Túnel .............. 84 4.2.5 Análisis de Resultados y Validación de Hipótesis ................................ 88

4.3 Galerías de Drenaje del Proyecto Hidroeléctrico Porce III ............................. 94 4.3.1 Marco Geológico ................................................................................. 95 4.3.2 Marco Geomorfológico ...................................................................... 100 4.3.3 Tendencias Estructurales en el Proyecto .......................................... 101 4.3.4 Caracterización de las tendencias estructurales en el túnel .............. 104 4.3.5 Análisis de Resultados y Validación de Hipótesis .............................. 109

5. Metodología para la Construcción de un Modelo Hidrogeológico Conceptual de un Túnel en Roca Fracturada, en la Cordillera Central del Departamento de

Antioquia ...................................................................................................................... 116 5.1 Definición de la zona de estudio .................................................................. 122 5.2 Componentes del modelo hidrogeológico conceptual .................................. 122

5.2.1 Geología, Geomorfología y Geotecnia .............................................. 123 5.2.2 Hidrología .......................................................................................... 135 5.2.3 Hidrogeoquímica y Análisis Isotópico ................................................ 152

5.3 Objetivos y alcances de una exploración hidrogeológica de un túnel en la Cordillera Central ................................................................................................... 156

6. Conclusiones y recomendaciones ...................................................................... 159 6.1 Conclusiones ............................................................................................... 159 6.2 Limitaciones ................................................................................................. 162 6.3 Recomendaciones ....................................................................................... 163

A. Anexo: Base de datos del levantamiento geotécnico y geológico-estructural 165

Bibliografía .................................................................................................................. 166

Contenido VIII

Lista de figuras

Pág. Figura 1-1: Modelo Hidrológicos de los Acuíferos de Medios Fracturados. ...................... 6

Figura 1-2: Representación del efecto escala en medios fracturados .............................. 8

Figura 1-3: Representación de las propiedades que definen la Geometría de las

Discontinuidades (Tomado de González de Vallejo, 2002) ............................................... 9

Figura 1-4: Clásico concepto de acuífero discontinuo (Modificado de Detay, et al., 1989)

....................................................................................................................................... 11

Figura 1-5: Representación del efecto escala en la medida de la permeabilidad de

macizos rocosos (Modificado de de González de Vallejo, 2002) ..................................... 14

Figura 1-6: Boceto de la Dinámica de Aguas Subterráneas en un Medio Fracturado con

la Construcción de un Túnel (Modificado de Holmoy, 2008). ........................................... 20

Figura 2-1: Esquema de la metodología empleada para el planteamiento de la propuesta

metodológica objeto de investigación. ............................................................................. 25

Figura 3-1: Ubicación de la zona de estudio ................................................................... 28

Figura 3-2: Unidades Geológicas de la Cordillera Central en el departamento de

Antioquia, (INGEOMINAS, 2015) .................................................................................... 29

Figura 3-3: Mapa de direcciones de esfuerzos en Colombia, tomado de Trenkamp et al

(2002). ............................................................................................................................ 34

Figura 3-4: Esquema de distribución del sistema de fallamiento en la Cordillera Central,

en el departamento de Antioquia .................................................................................... 36

Figura 3-5: Unidades geomorfológicas de la cordillera Central, tomado del mapa

geomorfológico de Antioquia del IGAC, (2007) ............................................................... 38

Figura 3-6: Perfil A-A´. Muestra de la sección transversal de las unidades de relieve

localizadas al norte de la zona de estudio ....................................................................... 39

Figura 3-7: Perfil B-B´. Muestra de la sección transversal de las unidades de relieve

localizadas al centro de la zona de estudio (altiplanos Belmira, -Santa Rosa, Carolina-

Gomez plata y Anorí-Amalfi-Yolombó) ............................................................................ 39

Figura 3-8: Perfil C–C´. Muestra de la sección transversal de las unidades de relieve

localizadas al centro de la zona de estudio en el Valle de Aburrá. .................................. 40

Figura 3-9: Esquema de ubicación de las cuencas hidrográficas de mayor importancia en

la Cordillera Central ........................................................................................................ 41

Figura 3-10: Zonas Hidrogeológicas en Colombia, Modificado de IDEAM (2010) .......... 43

Figura 3-11: Esquema general del modelo hidrogeológico conceptual de la Cordillera

Central, en el departamento de Antioquia. ...................................................................... 44

Figura 3-12: Mapa de potencial hidrogeológico para la zona de estudio, modificado de la

gobernación de Antioquia (2015). ................................................................................... 46

Contenido IX

Figura 4-1: Localización de los túneles analizados en la Zona de Estudio ..................... 48

Figura 4-2: Localización general del túnel de conducción de la Central Hidroeléctrica

Providencia III................................................................................................................. 50

Figura 4-3: Afloramiento de Ortoneis en la Zona de Captación del Túnel Providencia III 52

Figura 4-4: Geología de túnel del proyecto hidroeléctrico Providencia III ....................... 54

Figura 4-5: Geomorfología túnel Providencia III ............................................................. 55

Figura 4-6: Unidades de vertientes planas a convexas y colinas bajas del norte de Anorí-

Túnel Providencia III. ...................................................................................................... 55

Figura 4-7: Orientación media de las fracturas y diagrama de rosas en el área del

proyectohidroeléctrico Providencia III, definidas por Mineros S.A (2012) ....................... 56

Figura 4-8: Diagramas de orientación media y rosetas de dirección de las diaclasas, en

el Ortogneis del proyecto Providencia III, definidas por Mineros S.A (2012) .................. 57

Figura 4-9: Diagramas de orientación media y rosetas de dirección de las foliaciones, en

el Ortogneis del proyecto Providencia III, definidas por Mineros S.A (2012) .................. 58

Figura 4-10: Diagramas de orientación media y rosetas de dirección de las diaclasas, en

los Esquistos y Cuarcitas del proyecto Providencia III, definidas por Mineros S.A (2012)58

Figura 4-11: Diagramas de orientación media y rosetas de dirección de las foliaciones,

en los Esquistos y Cuarcitas del proyecto Providencia III, definidas por Mineros S.A

(2012) ............................................................................................................................. 58

Figura 4-12: Lineamientos fotogeológicos en el túnel Providencia III ............................. 60

Figura 4-13: Direcciones preferenciales de los drenajes en la zona de estudio del túnel

Providencia III ................................................................................................................ 60

Figura 4-14: Diagrama polar de los datos estructurales obtenidos en el túnel de

conducción y de descarga del proyecto hidroeléctrico Providencia III ............................ 62

Figura 4-15: Diagrama de polos de frecuencia estadística y rosetas de rumbo de las

discontinuidades en los túneles de conducción y descarga de Providencia III. ............... 62

Figura 4-16: Diagrama de polos de frecuencia estadística y rosetas de los rumbo para la

unidad de Ortoneis – Túnel Providencia III, (Mineros S.A, 2011). ................................... 63

Figura 4-17: Diagrama de polos de frecuencia estadística y rosetas de lo rumbo para la

unidad de Esquistos – Túnel Providencia III. .................................................................. 63

Figura 4-18: Diagramas de polos de frecuencia estadistica y rosetas de rumbo para cada

tipo de flujo en el túnel Providencia III ............................................................................ 64

Figura 4-19: Diagrama de peso hidráulico para la unidad de Ortoneis, en el túnel

Providencia III ................................................................................................................ 66

Figura 4-20: Diagrama de peso hidráulico para la unidad de Esquistos y Cuarcitas, en el

túnel Providencia III ........................................................................................................ 66

Figura 4-21: Diagrama de barras de los registros de Infiltración con base en el Indice Q,

en los túneles de conducción y descarga de Providencia III ........................................... 68

Figura 4-22: Grafico de Indice Q de Barton Vs Cantidad de Datos, en el túnel

Providencia III ................................................................................................................ 68

Figura 4-23: Diagramas de polos de frecuencia estadistica y rosetas de rumbo para

varios rangos del indice Q de Barton, en el túnel Providencia III .................................... 69

Figura 4-24: Área correspondiente a 45° 15, a partir de la dirección sistema de fallas

locales y los lineamientos fotogeológicos, en el túnel de Providencia III. ........................ 70

X Propuesta metodológica para la construcción de un modelo hidrogeológico conceptual

de un túnel en roca fracturada en la Cordillera Central, Departamento de Antioquia Título de la tesis o trabajo de investigación

Figura 4-25: Diagrama polar de esfuerzos y su representación tridimensional, para el

ortoneis en los túneles de conducción y descarga de Providencia III .............................. 71

Figura 4-26: Diagrama polar de esfuerzos y su representación tridimensional, para los

esquistos y cuarcitas en los túneles de conducción y descarga de Providencia III .......... 71

Figura 4-27: Gráfica de registros de Infiltración de acuerdo con la cobertura de roca, en

los túneles de conducción y descarga de Providencia III ................................................ 72

Figura 4-28: Grafico de porcentaje de fracturamiento de de acuerdo con la cobertura de

roca, en los túneles de conducción y descarga de Providencia III ................................... 72

Figura 4-29: Dirección preferencial de las fracturas hidráulicamente conductivas en el

tramo de máximo sobretecho en el túnel Providencia III ................................................ 73

Figura 4-30: Zonas de Acumulación de flujo y distribución de influjos en el túnel

providencia III ................................................................................................................. 74

Figura 4-31: Perfil altimétrico del túnel del proyecto hidroeléctrico Providencia III y la

distribución de Q de Barton ............................................................................................. 75

Figura 4-32 Análisis de discontinuidades paralelas al eje del túnel de Providencia III .... 76

Figura 4-33: Localización general del túnel de conducción de la Central Hidroeléctrica

Carlos Lleras Restrepo ................................................................................................... 78

Figura 4-34: Geología de túnel Carlos Lleras Restrepo .................................................. 81

Figura 4-35: Geomorfología del Túnel Carlos Lleras Restrepo ....................................... 82

Figura 4-36: Orientación media de las discontinuidades superficiales registradas en la

Plancha Geológica 131 de INGEOMINAS (2010) ........................................................... 83

Figura 4-37: Lineamientos fotogeológicos en el túnel Carlos Leras Restrepo ................ 83

Figura 4-38: Direcciones preferenciales de los drenajes en la zona de estudio del túnel

Carlos Lleras Restrepo ................................................................................................... 84

Figura 4-39: Diagrama polar de los datos estructurales obtenidos en el túnel de

conducción y de descarga del proyecto hidroeléctrico Carlos Lleras Restrepo ............... 85


discontinuidades en todo el túnel Carlos Lleras Restrepo. .............................................. 85

Figura 4-41: Rosetas de rumbo de las discontinuidades presentadas al interior del túnel

Carlos Lleras Restrepo (a. Diaclasas, b. Cizallas y c. Diques) ........................................ 86

Figura 4-42: Registros de filtraciones según el tipo de discontinuidad, en el túnel Carlos

Lleras Restrepo ............................................................................................................... 86


discontinuidades clasificadas por el tipo de filtración en el Túnel Carlos Lleras Restrepo.

....................................................................................................................................... 87

Figura 4-44: Cantidad de Registros con tipo de infiltración para los Índices Q de Barton

obtenidos en el túnel Carlos Lleras Restrepo .................................................................. 88

Figura 4-45: Indice Q de Barton Vs Cantidad de Datos según tipo de infiltración ........... 89

Figura 4-46: Área correspondiente a 45° 15, a partir de la dirección sistema de fallas

locales y los lineamientos fotogeológicos, en el túnel Carlos Lleras Restrepo................. 89

Figura 4-47: Diagrama polar de esfuerzos y su representación tridimensional, para el

túnel Carlos Lleras Restrepo ........................................................................................... 90

Figura 4-48 Porcentaje de registros obtenidos para varios intervalos de cobertura de

roca, según el tipo de flujo, en el túnel Carlos Lleras Restrepo ....................................... 91

Contenido XI

Figura 4-49: Zonas de Acumulación de flujo y distribución de influjos en el túnel Carlos

Lleras Restrepo .............................................................................................................. 91

Figura 4-50: Dirección preferencial de las fracturas hidráulicamente conductivas en el

tramo de máximo sobretecho en el túnel Carlos Lleras Restrepo .................................. 92

Figura 4-51: Perfil altimétrico del túnel de conducción Carlos Lleras Restrepo y la

distribución de la infiltración............................................................................................ 93

Figura 4-52: Localización de las galerías de drenaje del proyecto hidroeléctrico Porce III

....................................................................................................................................... 95

Figura 4-53: Esquistos Cuarzo Grafitoso - IIA. (PesgrIIA), Tomado de EPM (2011) ...... 96

Figura 4-54: Esquistos Cuarzo Grafitoso - IIB. (PesgrIIB), Tomado de EPM (2011) ...... 96

Figura 4-55 Esquistos Cuarzo Grafitoso - III. (PesgrIII), Tomado de EPM (2011) .......... 97

Figura 4-56: Esquistos Cuarzosos-IIA (PesqzIIA), Tomado de EPM (2011) .................. 97

Figura 4-57: Esquistos Cuarzosos-IIB (PesqzIIB), Tomado de EPM (2011) .................. 97

Figura 4-58: Esquistos Cuarzosos-III (PesqzIII), Tomado de EPM (2011) ..................... 98

Figura 4-59: Unidades geológicas del proyecto hidroeléctrico Porce III (Tomado de EPM,

2011) .............................................................................................................................. 99

Figura 4-60: Unidades geológicas en las galerías de drenaje del proyecto hidroeléctrico

Porce III, (EPM, 2011) ...................................................................................................100

Figura 4-61:Unidades geomorfológicas de las galerías de drenaje del proyecto

hidroeléctrico Porce III, (EPM, 2008) ............................................................................101

Figura 4-62: Diagrama de polos de frecuencia estadística de las foliaciones (izquierda),

diaclasas (medio) y cizallas (derecha) en el proyecto Hidroeléctrico Porce III, (EPM,

2011) .............................................................................................................................103

Figura 4-63: Lineamientos fotogeológicos en el área de influencia de las galerías de

Drenaje, del proyecto hidroeléctrico Porce III ................................................................103

Figura 4-64: Direcciones preferenciales de los drenajes en la zona de estudio de las

galerías de drenaje del proyecto hidroeléctrico Porce III ...............................................104

Figura 4-65: Diagrama polar de los datos estructurales obtenidos en las galerías de

drenaje 3, 6 y 9 del proyecto hidroeléctrico Porce III ....................................................105


discontinuidades en la Galería 3 ...................................................................................106






discontinuidades clasificadas por el tipo de filtración en la Galería 3. ............................107

Figura 4-70Diagrama de polos de frecuencia estadística y rosetas de rumbo de las


Figura 4-71 Diagrama de polos de frecuencia estadística y rosetas de rumbo de las


Figura 4-72: Cantidad de Registros con tipo de infiltración para los Índices Q de Barton

obtenidos en las galerías de drenaje 3, 6 y 9 del Proyecto Hidroeléctrico Porce III ......110

XII Propuesta metodológica para la construcción de un modelo hidrogeológico conceptual

de un túnel en roca fracturada en la Cordillera Central, Departamento de Antioquia Título de la tesis o trabajo de investigación

Figura 4-73 Área correspondiente a 45° 15, a partir de la dirección sistema de fallas

locales y los lineamientos fotogeológicos, en las galerías de drenaje 3, 6 y 9 del proyecto

hidroeléctrico Porce III .................................................................................................. 110

Figura 4-74 Diagrama polar de esfuerzos y su representación tridimensional, para el

túnel Carlos Lleras Restrepo (Familias N(70-80)°W/79°SW y N(0-10)°E/64°SE) .......... 111


túnel Carlos Lleras Restrepo (familias N(10-20)°E/37°NW y N(0-10)°E/64°SE) ............ 111


túnel Carlos Lleras Restrepo (Familias N(70-80)°W/79°SW y N(10-20)°E/37°NW) ....... 111

Figura 4-77: Perfil altimétrico de la Galería de Drenaje 3 - Porce III y la distribución de la

infiltración, (Modificado de EPM, 2011) ......................................................................... 113





Figura 4-80: Porcentaje de registros obtenidos para varios intervalos de cobertura de

roca, según el tipo de flujo en las Galerías de Drenaje 3, 6 y 9 del Proyecto

Hidroeléctrico Porce III .................................................................................................. 114

Figura 5-1: Componentes de un modelo hidrogeológico conceptual ............................ 116

Figura 5-2 Protocolo de modelación hidrogeológica (Modificado de Anderson &

Woessner, 1992) ........................................................................................................... 117

Figura 5-3: Componentes del modelo hidrogeológico conceptual en medios fracturados

..................................................................................................................................... 118

Figura 5-4: Esquema metodológico para el desarrollo de un Modelo Hidrogeológico

conceptual, en medios fracturados de la Cordillera Central en Antioquia ...................... 121

Figura 5-5: Mecanismo de aporte de aguas de otras cuencas (Modificado de Velez

Otalvaro, 1999) ............................................................................................................. 122

Figura 5-6: Elementos básicos para la caracterización de las tendencias estructurales

..................................................................................................................................... 127

Figura 5-7 Insumos y productos derivados de la componente geomorfológica para el

modelo hidrogeológico conceptual ................................................................................ 129

Figura 5-8 Insumos y productos derivados de la componente caracterización de los

parámetros hidráulicos para el modelo hidrogeológico conceptual................................ 135

Figura 5-9: Diagrama de flujo simplificado del modelo de estimación de la recarga

potencial por precipitación (Vélez et al., 2005) ............................................................. 137

Figura 5-10: Insumos y productos derivados de la componente hidrológica para el

modelo hidrogeológico conceptual ................................................................................ 152

Figura 5-11: Diagrama de Piper (Fetter, 2001) a la izquierda y Diagramas de Stiff (Fitts,

2002) a la derecha. ....................................................................................................... 154

Figura 5-12: Secuencia de Cheboratev (Freeze, R. & Cherry, J. A., 1979) .................. 154

Figura 5-13: Línea Meteórica Mundial (UNESCO - IAEA, 2001) a la izquierda y

desviaciones de la línea meteórica a la derecha (Domenico, P. A. & Schawartz, F. W.,

1997) modificado de Osorio, (2015). ............................................................................. 155

Contenido XIII

Figura 5-14: Insumos y productos derivados de la componente hidrogeoquímica y

análisis isotópicos para el modelo hidrogeológico conceptual .......................................156

Contenido XIV

Lista de tablas

Pág. Tabla 1-1: Comparación entre el enfoque EPM y DFN ................................................... 15

Tabla 1-2: Códigos para los modelación Hidrogeológica ................................................ 16

Tabla 3-1: Perfil típico de meteorización del Batolito Antioqueño, según Carillo (1973)

citado en Hoyos (1985) ................................................................................................... 45

Tabla 3-2: Perfil típico de meteorización de los Esquistos cuarcíticos y sericíticos, según

Carillo (1973) citado en Hoyos (1985) ............................................................................. 45

Tabla 4-1: Túneles de estudio ........................................................................................ 47

Tabla 4-2: Fallas locales en el proyecto Providencia III, definidas por Mineros (2011).... 53

Tabla 4-3: Fracturamiento dominante en el área para cada unidad geológica, (modificada

de Mineros S.A, 2012) .................................................................................................... 57

Tabla 4-4: Número de datos según el tipo de filtración en el túnel Providencia III. .......... 63

Tabla 4-5: Número de datos mapeados en los túneles de conducción y descarga del

proyecto Providencia III ................................................................................................... 64

Tabla 4-6: Familias de discontinuidades con mayor peso hidráulico, encontradas para las

unidades de Ortoneis y de Esquistos y Cuarcitas del túnel de Providencia III. ................ 66

Tabla 4-7: Porcentaje de datos según el indice Q de Barton de acuerdo con el tipo de

infiltración ........................................................................................................................ 67

Tabla 4-8: Sistemas de diaclasas en la zona de estudio, EPM (2011) .......................... 101

Tabla 4-9: Sistemas de cizallas en la zona de estudio, EPM (2011) ............................. 102

Tabla 5-1: Métodos geofísicos para el desarrollo del modelo hidrogeológico conceptual

..................................................................................................................................... 132

Introducción

En Colombia, la Cordillera Central, que hace parte del sistema orográfico de la Cordillera

de los Andes, se extiende desde el sur en el macizo colombiano hasta el norte en la

serranía de San Lucas. Representa uno de los pasos viales más importantes de la región

Antioqueña y también del país, que por alojar en ella varios de los principales centros

poblados como Medellín, Manizales, Pereira, Ibagué, Neiva, Popayán y Pasto, se

convierte en una zona de alto tráfico. La topografía y su riqueza hídrica son, además, de

gran interés para la ubicación de centrales de generación de energía. Adicionalmente

existe en la Cordillera Central recursos minerales tales como oro y cobre, motivo por el

cual aloja varios de los principales municipios mineros del país. Por todo lo anterior la

Cordillera Central, en Colombia, representa un escenario importante para la construcción

de túneles, tanto con fines viales, férreos, de minería o hidroeléctricos.

Los túneles se han adoptado como la solución a problemas geotécnicos y de riesgo, tales

como como deslizamientos, terrenos muy escarpados y macizos muy fracturados con

caída de rocas, que han cobrado la vida de personas y también afectado la comunicación

vial entre poblaciones; adicionalmente son un medio para reducir tiempos y costos, por lo

que se han venido implementando con mayor frecuencia.

En los últimos años, ha llamado la atención del país algunos eventos como las

afectaciones de abatimientos del nivel freático generadas por la construcción del Túnel

de Occidente, el túnel de trasvase del Río Manso al Proyecto La Miel y el Túnel de La

Línea o Segundo Centenario. En el segundo se estimaron 20 l/s de infiltración y se

registraron puntualmente por encima de 300 l/s, mientras en el tercero se estimaron

valores de infiltración de 20 l/s y se obtuvieron 220 l/s. Todo lo anterior deja en entrevisto

la falta de caracterización detallada del subsuelo y la falta de consideración de la

interacción de las aguas superficiales con las subterráneas.

Lo cierto es, que como cualquier tipo de obra civil, poseen un impacto social, económico

y ambiental. Este último, con consecuencias que pueden ser irremediables, como las

afectaciones hidrogeológicas ya mencionadas, y otras como la contaminación de

2 Introducción

acuíferos y la alteración del régimen de aguas subterráneas. A este tipo de impactos se

le ha venido dando mayor importancia, debido a la influencia del cambio climático y sus

repercusiones en el recurso hídrico, motivo por el cual las entidades encargadas del

manejo y gestión de este recurso, tanto superficial como subterráneo, tienen el deber de

desarrollar acciones encaminadas a garantizar su sostenibilidad. Considerar las

repercusiones ambientales consecuencia de este tipo de infraestructuras, es un paso

importante para salvaguardar los recursos en el futuro.

Parte de la mitigación de los impactos hidrogeológicos en túneles depende de los

métodos constructivos, pero es el conocimiento real del impacto de la obra en el entorno,

la herramienta principal para la toma de decisiones, para lo cual es necesario primero

comprender ese entorno y sus características.

Actualmente, los estudios ambientales requeridos para el licenciamiento de obras

subterráneas centran el componente hidrogeológico en la caracterización cualitativa y

cuantitativa de los acuíferos, estimando su capacidad de almacenamiento, calidad del

agua y distribución a través del medio geológico, con la finalidad principal de identificar

las condiciones iniciales del sistema y predecir los posibles impactos con la construcción

de la obra. Los requerimientos solicitados en este tipo de estudios no discriminan el tipo

de medio hidrogeológico en el cual se desarrolla el proyecto, ya sea un medio poroso o

un medio fracturado, existen diferencias que tiene implicaciones en su caracterización.

A grandes rasgos la geología en la Cordillera Central está compuesta en su mayoría por

rocas ígneas y metamórficas, que por los procesos tectónicos y de meteorización se han

fracturado. Por varios años existió la teoría de que las rocas duras (ígneas, metamórficas

y sedimentarias consolidadas) eran medios impermeables, incapaces de almacenar y

permitir el flujo, por lo cual los estudios de hidrogeología se centraron inicialmente en los

medios porosos (Martinez Landa, 2004). Sin embargo, se estableció que los sistemas de

discontinuidades, fallas y fracturas, que presentan las rocas y que dan lugar a la

denominada permeabilidad secundaria porque por ellas discurre el flujo de agua,

confieren un potencial hidrogeológico para este tipo de rocas.

Tratar de entender los medios fracturados resulta realmente difícil, debido a que es un

entorno heterogéneo, cuyas propiedades hidráulicas pueden variar punto a punto, y

dependen de la dirección de análisis y de la escala de trabajo (Londoño, 2015).

Actualmente se han realizado varios esfuerzos por encontrar metodologías que simulen

Introducción 3

estos medios; las más conocidas y empleadas son la modelación de fracturas discretas y

el medio poroso equivalente, de los cuales la principal fuente de información parte del

conocimiento de la geología y el análisis hidroestructural.

Con el trabajo realizado durante esta investigación se pretende aportar una herramienta

de apoyo para la evaluación y valoración del componente hidrogeológico en los estudios

de impacto ambiental y de esta manera a las entidades encargadas del manejo del

recurso hídrico subterráneo.

Se realiza la propuesta de una metodología que describe los aspectos y componentes

que son necesarios para desarrollar las tres etapas que conforman el modelo

hidrogeológico conceptual (definición de unidades hidroestratigráficas, preparación de

balance hídrico y definición del sistema de flujo) y cuya ejecución es necesaria para

lograr una caracterización hidrogeológica representativa. Se debe tener presente que del

buen desarrollo de éste modelo conceptual, dependen los resultados de la modelación

numérica (Bredehoeft, 2005).

Para el planteamiento de la propuesta metodológica, se parte de la revisión del estado

del arte de las metodologías aplicadas para medios fracturados y de la evaluación de la

relación entre las características geomecánicas y geológico-estructurales y su capacidad

para el pronóstico de las zonas que pueden presentar mayores influjos por una

excavación subterránea. A continuación se realiza la evaluación para las condiciones

geológicas de la Cordillera Central en el departamento de Antioquia, abarcado tres

túneles ubicados en las unidades geológicas de mayor importancia: el Batolito

Antioqueño y los esquistos cuarzo sericíticos del Complejo Cajamarca.

Con base en los registros de las infiltraciones de los túneles, la evaluación planteada

comprende el análisis de la conductividad hidráulica de las discontinuidades, a partir de

la definición de las tendencias estructurales identificables mediante trabajos de campo y

oficina y el análisis de parámetros geológicos y factores como el valor del índice de

calidad de la roca Q (Barton et al, 1974), fallamiento y patrón de fracturamiento,

orientación de los esfuerzos principales actuantes en la roca, la cubierta o techo de roca,

el espesor de suelo permeable o distancia de la corriente/lago por encima del túnel, el

tipo de roca y el ancho de zonas de debilidad, sugeridos por Holmøy, (2008), como

posibles indicadores de flujo en un túnel. De este modo, se desprenden los siguientes

objetivos específicos:

4 Introducción

• Discutir la aplicabilidad de los modelos hidrogeológicos desarrollados para túneles

en macizos rocosos de la Cordillera Central.

• Caracterizar las fracturas hidráulicamente conductivas con base al mapeo

geológico-estructural y en la caracterización geomecánica de túneles.

• Determinar la existencia de patrones de fracturas hidráulicamente conductivas.

• Proponer objetivos y alcances de una exploración hidrogeológica para un túnel en

la Cordillera Central.

La importancia del planteamiento de la propuesta metodológica se fundamenta en

desarrollar los criterios necesarios para mejorar los resultados en la estimación de las

zonas de infiltración presentadas en la construcción de un túnel en medio fracturado.

Esto permite el desarrollo del modelo hidrogeológico conceptual, para el cual es

necesario conocer las características geológicas, geomorfológicas, hidrológicas,

hidráulicas e hidrogeoquímicas del sistema de estudio, con el fin de que dicha

información sirva para las fases de diseño y construcción de las obras.

1. Marco Teórico y Antecedentes

La preocupación por preservar las reservas acuíferas, que representan aproximadamente

el 31% del agua dulce del país, se ha incrementado por el aumento en el número de

proyectos que consideran la realización de excavaciones subterráneas. Se considera que

este tipo de obras, ya sea con fines viales, de minería o para centrales de generación de

energía, entre otros, ha aumentado el riesgo de impactar los embalses subterráneos, con

la alteración del régimen de agua, contaminación y disminución de niveles. Gran parte de

la mitigación depende del previo conocimiento del entorno a intervenir.

Hidrogeológicamente hablando, existen dos tipos de enfoques para el estudio del sistema

subterráneo de acuerdo con el tipo de permeabilidad, medios porosos (depósitos

superficiales y suelos residuales) y medios fracturados (rocas consolidadas). La

permeabilidad puede ser primaria, relacionada con los poros propios del suelo o de la

roca, y secundaria, asociada a las fisuras de la roca. Los medios fracturados, que son el

principal interés en esta investigación, se encuentran asociados al concepto de rocas

duras fracturadas, que se atribuye a las formaciones de rocas cristalinas (ígneas y

metamórficas) y rocas sedimentarias consolidadas.

En los medios fracturados resulta complejo realizar una caracterización detallada de la

estructura geologica subterránea, debido a la dificultad de acceso a la información in situ.

En consecuencia, la aleatoriedad y heterogeneidad presente en los medios fracturados,

es el motivo principal de la dificultad en la estimación de la cantidad de flujo subterráneo

y por lo cual la modelación tiene un alto grado de incertidumbre, constituyéndose de esta

manera en un reto para la hidrogeología.

1.1 Flujo de Agua en Medios Fracturados

La procedencia del agua subterránea, hace parte del ya bien conocido y estudiado ciclo

hidrológico, donde su aporte más importante a la hidrología subterránea resulta del agua

que se infiltra por los poros del suelo y subsuelo o por las fisuras de la roca. Son varios

6 Propuesta metodológica para la construcción de un modelo hidrogeológico conceptual de

un túnel en roca fracturada en la Cordillera Central, Departamento de Antioquia

los factores que influyen en el proceso de infiltración, como condiciones climáticas,

condiciones del suelo como el contenido de humedad, litología, estratigrafía y estructura

de las formaciones geológicas.

Los acuíferos son comunes en cuatro distintas formaciones geológicas, como son los

depósitos de gravas y arenas no consolidadas, las formaciones consolidadas y

semiconsolidadas de conglomerados y areniscas, las formaciones carbonatadas y las

rocas ígneas y metamórficas (Vélez, 1999). En su gran mayoría Colombia se encuentra

constituida por ambientes sedimentarios y vulcano clásticos y en un menor porcentaje

donde se encuentran las Cordilleras Central y Occidental, comprende los ambientes

Ígneo – Metamórficos del país.

En los medios fracturados la dinámica de agua subterránea está condicionada por la

existencia de discontinuidades como fallas, diaclasas, esquistosidades y fracturas, que

actúan como conductores hidráulicos, proporcionando ya sea vías para el flujo o barreras

que impiden que el fluido pase a través de ellas (Holmøy, 2008).En la Figura 1-1 se

presenta un esquema conceptual de distribución de flujo en medios fracturados.

Figura 1-1: Modelo Hidrológicos de los Acuíferos de Medios Fracturados.

Marco Teórico y Antecedentes 7

En resumen, el flujo de agua subterránea en los macizos rocosos puede provenir de las

filtraciones que se da por fallas, fracturas, rocas de brecha, rellenos de falla, zonas

alteradas, contactos litológicos entre rocas de permeabilidad muy diferente y conductos

cársticos, tubos en rocas volcánicas, etc. Las cavidades cársticas pueden suponer un

gran riesgo de filtraciones, además ser difíciles de localizar (González de Vallejo, 2002).

Las discontinuidades se presentan a diferentes escalas, desde diaclasas con unos pocos

milímetros de longitud hasta fallas a escala regional, en kilómetros. Su importancia en

términos hidrogeológicos no corresponde a su extensión espacial, sino a su capacidad y

facilidad para el almacenamiento y tránsito de fluidos dentro de ellas; sin embargo, las

fallas y diques por ejemplo, pueden también actuar como barreras a este flujo (Singhal &

Gupta, 2010, en Romero, 2014).

En cierta medida, todas las rocas en la corteza terrestre se fracturan. Los esfuerzos a los

que se ven sometidas las rocas son los responsables de su origen; pueden surgir a partir

del peso de la corteza de la tierra, altas presiones de fluido, alivio de esfuerzos de la roca

por erosión, las fuerzas tectónicas o la carga térmica (Holmøy, 2008). Los parámetros

petrográficos como dimensión granular, grado de metamorfismo, estructura de

plegamientos, dirección del eje del plegamiento y la presión, influyen en la solidez de la

roca o su resistencia a las fracturas, por lo cual también tienen que ver indirectamente en

la circulación de flujo de aguas subterráneas en rocas (UNESCO, 1985).

La dificultad general que presenta el estudio en los medios fracturados se debe a su

heterogeneidad. Valores para propiedades como la conductividad hidráulica, poseen una

variabilidad espacial extrema que depende del volumen involucrado. Lo anterior quiere

decir que tomar un volumen menor o mayor, infiere en los valores de esta propiedad.

Este efecto denominado como efecto de escala (González de Vallejo et al., 2002), es

característico de los medios fracturados e implica que al abarcar un volumen menor, se

pueden o no incluir todas las fracturas; en consecuencia, los valores de permeabilidad

pueden oscilar sobre varios ordenes de magnitud (Masset & Loew, 2009). Dichos valores

podrán incrementarse si los conductos están conectados y permiten el paso del flujo

(Sánchez-Vila et al., 1996). En la Figura 1-2 se muestra la representación gráfica del

efecto de escala.



Figura 1-2: Representación del efecto escala en medios fracturados

Como se mencionó anteriormente, la conectividad en el sistema de fracturas juega un

papel muy importante en la distribución del flujo; mientras mayor sea la continuidad del

sistema, mayor será la interconectividad y así mismo la permeabilidad (Long &

Witherspoon,1985 en Romero, 2014). La conectividad se encuentra en función del

número de intersecciones entre ellas en un área de interés y es controlada por

características individuales de las fracturas como orientación, espaciamiento, continuidad

y frecuencia (LaPointe & Hundson, 1985 en Romero, 2014).

Generalmente el análisis del comportamiento del flujo subterráneo en medio fracturado,

se realiza con el conocimiento y entendimiento del sistema de fracturas. En teoría, las

diaclasas, fallas, y demás fracturas tienden a cerrarse en profundidad por efecto del peso

de materiales supradyacentes (Vélez, 1999). Su variabilidad espacial es desconocida,

por lo cual sería necesario plantear una exploración suficientemente detallada y profunda

como para identificar la distribución del sistema de fracturas. Resultaría entonces costoso

y prácticamente imposible definir un valor de permeabilidad mediante un sondeo,

teniendo en cuenta que se debe atravesar todas las discontinuidades, y establecer

características como abertura e interconexiones representativas para del medio.

En los medios fracturados, a diferencia de los medios porosos, se tienen propiedades

que se pueden apreciar mediante trabajos de campo. Con base a las fracturas en

superficie se puede evaluar el comportamiento del macizo a profundidad (Signhal &

Gupta, 2010). Se parte entonces de la caracterización geológica y geomecánica

superficial de las discontinuidades, aun sabiendo que los resultados pueden variar en


profundidad, debido a que en superficie las discontinuidades se han visto expuestas a los

agentes de meteorización.

Comúnmente se suelen emplear bases de datos geométricos del sistema de fracturas,

para la cuantificación directa del flujo (Neuman, 2005). La caracterización, distribución y

localización de las fracturas, es parte de los pasos necesarios para definir la vía

preferencial del flujo. Para lo anterior, se debe describir cada una de las discontinuidades

en términos de las propiedades que definen su geometría y características: orientación,

densidad y espaciamiento, forma, tamaño, persistencia, abertura, localización del centro

geométrico, relleno y rugosidad (Londoño, 2015), (Figura 1-3).

Figura 1-3: Representación de las propiedades que definen la Geometría de las

Discontinuidades (Tomado de González de Vallejo, 2002)

1.2 Estado del Arte de la Modelación Hidrogeológica en Rocas Fracturadas

La modelación de la hidrogeología en medios fracturados es una herramienta para el

entendimiento de las condiciones reales del flujo subterráneo, con énfasis en el sistema

de fracturas. Debido al interés despertado para el almacenamiento de radio nucleídos y

abastecimiento a comunidades asentadas en ambientes de rocas duras, comenzó

abordarse con mayor fuerza. Cabe resaltar que los avances en geofísica e

hidrogeoquímica han conducido a que se mejore la capacidad de predicción de estos

modelos.



A continuación se describen sus antecedentes, enfoques para abordar el estudio y

caracterización del sistema y los códigos matemáticos más comunes empleados en el

modelamiento.

1.2.1 Antecedentes

La hidrogeología en medios fracturados comenzó a desarrollarse desde mediados del

siglo XX. La mayoría de las investigaciones para caracterizar el flujo de aguas

subterráneas en estos medios, se realizaron dentro de varios programas de residuos

nucleares localizados alrededor del mundo (Black, 1994). Países como Canadá, Suecia,

Francia, Suiza y el Reino Unido, vieron en el medio geológico natural una parte vital del

sistema multi-barrera que atenuaría la migración de radionucleidos (Martinez -Landa,

2004). Los fines exploratorios para el abastecimiento de comunidades asentadas en

rocas cristalinas y con poca disponibilidad de agua superficial para el consumo humano,

también hicieron parte del interés para realizar estudios en estos medios.

Inicialmente las rocas duras eran consideradas como impermeables y por ende los

medios porosos resultaban ser una unidad de mayor interés, hasta que finalmente se

identificó que las fallas y fracturas de la roca podían almacenar agua de manera

significativa y ser posibles receptoras de residuos radioactivos (Martinez Landa, 2004).

Sin embargo, aunque se considera modesta su capacidad de almacenamiento, en

comparación con la capacidad de otros tipos de acuíferos (sedimentarios, kársticos o

acuíferos volcánicos), debido a su abundancia empezaron a llamar la atención en

términos de disponibilidad de agua subterránea (Shakeel, A. et al., 2008).

Los primeros análisis en medios fracturados abarcaban el flujo en fracturas simples, para

lo cual se asumía que el flujo era análogo al comportamiento entre un par de placas

paralelas planas (Londoño, 2015). Posteriormente la necesidad de almacenamiento de

los residuos radioactivos, llevó a una mayor profundización en el tema, en el cual las

técnicas de campo y la modelación numérica de las fracturas permitieron demostrar que

las irregularidades de las paredes de las fracturas pueden ser representadas

geoestadísticamente (Tsang, 1998). Con ello se buscó entonces a partir de la morfología

de las fracturas en superficie, entender el flujo a mayores escalas, es decir para un

sistema complejo de fracturas.


Los primeros modelos geométricos de medios fracturados, consideraron sistemas de

fracturas como grupos ortogonales (Snow, 1965), fracturas de formas circulares o

elípticas (Beacher, 1978) y modelos a partir de las observaciones de las fracturas en

campo, donde generalmente se asumía que las fracturas eran planas y paralelas y

adicionalmente idénticas (Dershowitz, 1984). Mientras algunos de estos supuestos eran

poco probables que fueran cercanos a la realidad, proporcionaron un punto de partida útil

para la comprensión del comportamiento de las aguas subterráneas en rocas fracturadas

(Cook, Land, & Osmond, 2003).

En los años setenta se presentó el modelo conceptual clásico desarrollado para acuíferos

discontinuos a partir de los resultados de campañas de perforación realizadas en África,

donde se consideraron las zonas de almacenamiento de agua subterránea como zonas

de fracturamiento abiertas (Detay, et al., 1989 en Romero, 2014), (Ver Figura 1-4).

Posteriormente de este concepto se dio importancia a la meteorización y el

fracturamiento llevando el modelo de acuífero discontinuo a un nuevo concepto de

acuífero continuo estratiforme dado por procesos de intemperismo (Dewandel, et al.,

2006; Lachassagne, 2008, en Romero, 2014), donde se incluye el perfil de suelo con el

horizonte somero de material piroplastico, el suelo saprolitico, la roca fracturada y la roca

sana, indicando que el flujo de agua se da principalmente por el sistema de fracturas.

Figura 1-4: Clásico concepto de acuífero discontinuo (Modificado de Detay, et al., 1989)

Para principios de la década de los noventa, ya se había demostrado la existencia de la

conectividad de las fracturas (Billaux ,1989) y con ello el conocimiento de que los canales

que se generan son caminos preferenciales de flujo, de manera que un medio altamente



fracturado puede no ser tan apto para el flujo como otro medio menos fracturado pero

con un grado de conectividad mayor (Londoño, 2015).

Principalmente fue el Servicio Geológico de Estados Unidos (USGS) a principios de la

década de 1980, quien comenzó con los estudios de estas nuevas fuentes de agua

subterránea (Osorio, 2015). En Colombia los estudios hidrogeológicos tanto para medios

porosos como fracturados se iniciaron a partir del año 1950 con el fin de plantear

soluciones de abastecimiento de agua potable en algunas poblaciones del país. Durante

esta primera década los principales trabajos hidrogeológicos se llevaron a cabo en los

departamentos de Valle del Cauca, Boyacá, Cauca, Cundinamarca, Huila, Córdoba y

Antioquia (INGEOMINAS, 2004). Actualmente las investigaciones se realizan en gran

medida con el fin de preservar y manejar organizadamente el recurso hídrico.

Pese a todo el interés despertado, los medios fracturados continúan siendo uno de los

retos principales para la hidrogeología; como se mencionaba anteriormente, la

variabilidad espacial de las fracturas lo constituyen como un medio heterogéneo y

anisotrópico complejo de entender y difícil de predecir. Por tal motivo no resulta extraño

entonces que los modelos hidrogeológicos tengan su mayor fortaleza en el análisis de los

medios poroso y rocas sedimentarias no consolidadas.

La confiabilidad en las predicciones de los influjos de agua subterránea está altamente

influenciada por la exactitud en la definición de la conductividad, la cabeza piezométrica y

el rendimiento específico, adicionalmente variaciones en la permeabilidad hacen las

predicciones muy sensibles ante la incertidumbre de encontrar alcances indefinidos de

mayor permeabilidad, como por ejemplo, fallas, juntas abiertas, etc. (Havekost & Miles,

2009).

1.2.2 Enfoques en Medios Fracturados

En la actualidad existen tres enfoques principales para abordar la caracterización y

cuantificación del flujo en medios fracturados dependiendo del grado de heterogeneidad.

El primero es empleando el concepto de medio poroso equivalente, que se refiere a

considerar la roca como una unidad continua, no uniforme, el segundo como un modelo

de fracturas discretas y un tercer enfoque que resulta de la combinación de los dos


anteriores, para los cuales la descripción puede ser determinística o estocástica

(Neuman, 2005). A continuación se describe cada uno de ellos:

Medio Poroso Equivalente (EPM): Este enfoque que ha sido el más ampliamente

usado, considera que empleando las ecuaciones clásicas de flujo y transporte, el medio

de fracturas se puede aproximar de forma adecuada a un medio poroso. Asume

entonces, que la heterogeneidad inherente al sistema puede ser descrita completamente

por el uso de parámetros representativos de procesos simples (Yaver Orjuela, 2011).

A escala regional, parece ser la mejor aproximación, teniendo en cuenta que no requiere

de mucha información y esfuerzos de cálculo (Londoño, 2015). La dificultad de este

enfoque es la definición de valores de los parámetros del modelo (transmisividad,

almacenamiento, etc) (Vives & Medina, 2000), para lo cual se deberá establecer un

volumen en donde las propiedades hidráulicas no se vean afectadas por la variación y

dispersividad de los datos.

Toda la evidencia sugiere que raramente se puede modelar flujo y transporte en una roca

consistentemente fracturada, considerandola como una unidad continua isotrópica

uniforme o poco uniforme (Neuman, 2005). Esto se debe a que solo podría considerarse

valida una extrapolación de los valores de sus propiedades, si el volumen delimitado es

representativo del conjunto (González de Vallejo et al., 2002). En consecuencia debe

escogerse adecuadamente un volumen en el que el valor de las propiedades hidráulicas

no cambie de manera significativa, lo cual se denota como volumen elemental de

referencia (VER). La Figura 1-5 muestra la representación gráfica de lo que significa del

VER, en él los resultados son independientes del tamaño.



Figura 1-5: Representación del efecto escala en la medida de la permeabilidad de

macizos rocosos (Modificado de de González de Vallejo, 2002)

Redes de fracturas discretas (DFN): Este enfoque considera como base que en los

medios fracturados el agua fluye por porosidad secundaria, por lo cual se centra en

captar la complejidad del sistema de fracturas, representando únicamente las fracturas y

no tiene en cuenta el resto de la matriz rocosa.

La mayor dificultad para este enfoque, resulta ser la definición adecuada de la geometría

de la red de fracturas, de las cuales su localización y extensión es altamente dudosa, y

adicionalmente pueden ser pocas las fracturas hidráulicamente relevantes. El análisis del

flujo se basa en la simulación estocástica de la localización, extensión y propiedades de

las fracturas. Como tal, esto puede ser más útil para evaluaciones del riesgo, que para un

modelo que busca reproducir las condiciones del sitio (Martinez Landa, 2004).

Modelos Mixtos o híbridos: Esta combinación de enfoques busca integrar los aspectos

principales de los dos tipos de modelos anteriormente descritos; por un lado se

representan de forma explícita las fracturas dominantes y por otro lado, la matriz y las

fracturas menores que hay entre ellas se representan como un medio poroso. Como

producto derivado de los dos enfoques, la dificultad principal se encuentra en la

asignación de valores a los parámetros del medio continuo, debido a que la definición de

la geometría de las fracturas no es tan problemática, ya que con la información de campo

y perforaciones generalmente se conocen con cierto grado de precisión las fracturas

dominantes, (Vives & Medina, 2000).


En la Tabla 1-1 se presenta una comparación de los requerimientos para el desarrollo del

modelo y sus respectivas ventajas y desventajas.

Tabla 1-1: Comparación entre el enfoque EPM y DFN

EPM DFN

Requerimientos para el modelo

Volumen elementa de referencia (VER). Tensor de permeabilidad hidráulica.

Definición de la geometría de la red de fracturas: Abertura, Rugosidad, Persistencia, Material de Relleno, Espaciamiento entre las discontinuidades, Tamaño del bloque, Forma del bloque.

Transmisividad de cada fractura.

Ventajas

Es simple. Ha sido ampliamente usado. La dirección principal del tensor efectivo k es

gobernada por la dirección de los conductos principales, la cual puede ser encontrada de las observaciones y levantamientos de campo (Londoño, 2015).

Útil para grandes escalas donde se halla definido adecuadamente el VER.

Puede haber una mayor aproximación al medio real, por el hecho de que el flujo ocurre a través las fracturas como elementos conductores más o menos conectados en dos o tres dimensiones (Billaux, 1989; Cacas y Marsily, 1990; Odling, 1991).

Una descripción detallada del sistema de fracturas en un modelo DFN proporcionaría una descripción válida del comportamiento de la roca en las escalas más grandes (Neuman, 2005).

Útil para escalas pequeñas e intermedias, dado que la geometría de las fracturas a estas escalas puede ser aproximada en detalle de manera explícita (Londoño, 2015).

Desventajas

Dificultad en definir el VER, ya que los valores del tensor de k varían con respecto a la escala de interés (Londoño, 2015).

Las observaciones de campo y de laboratorio demostraron que los sistemas de fracturas en rocas están lejos de comportarse como un medio equivalente al medio poroso homogéneo (Londoño, 2015).

Requiere mucha información acerca de las propiedades de la red de fracturas.

Ineficiencia y elevado costo computacional en escalas mayores de trabajo.

Naturaleza estocástica de la representación geométrica del sistema fracturado.

Las propiedades geométricas de las fracturas en campo, no son totalmente representativas y la estimación por ensayos de campo o laboratorio se hace por medio de medidas indirectas.

Es casi imposible y costoso establecer en su totalidad todo el sistema de fracturas.

Las observaciones de campo y de laboratorio demostraron que los sistemas de fracturas en rocas están lejos de comportarse como un medio con fracturas continuas perfectamente formadas y conectadas entre sí (Londoño, 2015).

Todos los enfoques anteriormente presentados, independientemente de su metodología

de análisis, buscan dar respuesta a los interrogantes acerca de la distribución,

almacenamiento y variación espacio temporal del flujo de aguas subterráneas y su

vulnerabilidad ante impactos ya sea por contaminación o por intervención propia del

sistema. Gran variedad de modelos numéricos y analíticos han sido desarrollados en las

últimas décadas para proporcionar un marco de referencia para entender y cuantificar el

comportamiento de flujo en los sistemas acuíferos (Yeh & Chang, 2013), pero sin duda



es la posibilidad de realizar modelos distribuidos con los que se pueden abarcar cuencas

más amplias a distintas escalas, lo que está permitiendo abrir cada vez más las

posibilidades de estos modelos (Sahuquillo, 2002).

1.2.3 Herramientas para la Modelación

En la actualidad existen numerosos códigos que permiten la simulación del

comportamiento de flujo subterráneo; los métodos numéricos como las diferencias finitas,

los elementos finitos y los volúmenes finitos son las herramientas matemáticas más

empleadas para modelar sistemas naturales y actualmente para resolver problemas de

hidrogeología (Betancur & Palacio, 2009). Sin embargo, pese a que cada día son más

sofisticados y encaminados a disminuir el grado de incertidumbre, requieren del juicio y

entendimiento del problema por parte del analista, quien debe conjugar los elementos

para lograr formular o plantear el modelo.

Entre los códigos de hidrogeología, el MODFLOW ha sido el estándar mundial para la

modelación del agua subterránea. Desarrollado por el Servicio Geológico de EEUU,

permite simular el flujo subterráneo en la mayoría de los acuíferos. Otros de los códigos

existentes con mayor renombre son AQUIFEM, Feflow y Plasm. En la Tabla 1-2 se

enuncian algunos códigos, el método de análisis, su aplicación y algunas observaciones.

Tabla 1-2: Códigos para los modelación Hidrogeológica

Software Método de

análisis Aplicación Observaciones

MODFLOW Diferencias finitas

Simulador de flujo y transporte subterráneo.

Permite trabajar con acuíferos anisótropos, heterogéneos, multicapa, confinados o libres, y medios porosos. El régimen de flujo puede ser estacionario o transitorio indistintamente y es capaz de tener en cuenta las conexiones río-acuífero.

FEFLOW Elementos finitos

Simulador de flujo con saturación variable, flujo de transporte de masa y/o calor.

Posee mayor precisión en el refinado de elementos puntuales que el MODFLOW.

COMSOL Elementos finitos

Simulador de flujo en medio poroso.

ASMWIN Diferencias finitas

Simulador de flujo subterráneo y transporte en 2D.

AQUIFEM Elementos finitos

Simulador de flujo de agua subterránea cuasi-tridimensional con capacidades adicionales para la simulación de transporte de contaminantes en dos dimensiones.

Simulación de flujo de agua subterránea en acuíferos regionales.


Software Método de

análisis Aplicación Observaciones

PRICKETT o PLASM

Diferencias finitas

Simulador de acuíferos, en medio saturado, anisótropo y heterogéneo

Se puede aplicar a acuíferos multicapa que operan en régimen transitorio y que se encuentran confinados, semiconfinados o libres, indistintamente. No obstante presenta algunas deficiencias de exactitud, aunque puede emplearse para llevar a cabo valoraciones globales.

FEMWATER Elementos finitos

Simulador de flujo de agua subterránea.

Acuíferos anisótropos y heterogéneos, constituidos por medios porosos que se encuentren saturados, o no saturados, y con circulación de flujo en régimen transitorio

INFIL Diferencias finitas

Simulador de flujo, empleado para simular tiempos de tránsito en zonas saturadas o no saturadas para el caso de medios homogéneos, isótropos y porosos.

Opera en dos dimensiones en un plano vertical

INVERT 2D Elementos finitos

Empleado para determinar parámetros de flujo (transmisividad, coeficiente de almacenamiento, recarga superficial, niveles, caudales y coeficientes de goteo).

Se utiliza para la estimación de propiedades en acuíferos heterogéneos, anisótropos, confinados y libres, en medios saturados, y opera en régimen estacionario o transitorio indistintamente. Trabaja en dos dimensiones, horizontal y vertical.

INVERT 3D Elementos finitos

Empleado para determinar parámetros de las ecuaciones de flujo tridimensional, en régimen transitorio y estacionario (transmisividad, coeficiente de almacenamiento, recarga por infiltración, niveles, coeficientes de goteo y caudales en el confinamiento, teniendo en cuenta la anisotropía de las transmisividades estimadas).

Mejora del código INVERT 2D

INVERT 4 Elementos finitos

Empleado para determinar parámetros de los modelos de flujo en acuíferos.

Aplicable a modelos bi-cuasi-tridimensionales, o tridimensionales con simetría axial. El régimen de flujo puede ser estacionario, transitorio o mixto

TRAFRAP Elementos finitos

Simulador de flujo de agua subterránea, en medios fracturados y porosos, en acuíferos y acuitardos en condiciones de flujo saturado.

En medios fracturados se puede hacer una modelización a partir de la geometría de cada fractura o bien según el modelo de doble capa porosa. Fue diseñado para modelar el transporte de radionucleidos.

USGS-2D-FLOW

Diferencias finitas

Simulador de flujo de agua subterránea en acuíferos porosos, anisótropos, heterogéneos y constituidos en multicapas en dos dimensiones.

Posibilidad de trabajar con sistemas confinados, semiconfinados o libres y simulan operaciones en régimen de flujo transitorio y medios saturado.

USGS-3D-FLOW

Diferencias finitas

Simulador de flujo de agua subterránea en acuíferos porosos, anisótropos, heterogéneos y constituidos en multicapas en tres dimensiones.

Posibilidad de trabajar con sistemas confinados, semiconfinados o libres y simulan operaciones en régimen de flujo transitorio y medios saturado.



Parte del resumen de la aplicabilidad y observaciones de los códigos fue tomado del

estudio titulado “Estudio y aplicación de modelos acoplados de flujo y transporte en

aguas subterráneas”, elaborado por Tomás García Martín y Manuel García Rodríguez en

2004.

1.2.4 Requerimientos en Colombia para la Modelación Hidrogeológica

En Colombia los entes encargados del manejo de los recursos hídricos subterráneos del

país (Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible, Servicio Geológico Colombiano,

Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia, Corporaciones

Autónomas Regionales, entidades territoriales, autoridades ambientales y las

universidades) crearon la política de Gestión Integral de los Recursos Hídricos

Subterráneos (GIRHS) en 2010 (Osorio, 2015).

Adicionalmente la Autoridad Nacional de Licencias Ambientales (ANLA), encargada en

Colombia del otorgamiento de las licencias ambientales, ha venido reglamentado los

estudios de impacto ambiental, abarcando para la hidrogeología los aspectos importantes

para su caracterización. Pese a que los lineamientos planteados son muy generales, no

se discriminan metodologías de análisis según el enfoque hidrogeológico, ya sea medio

poroso o medio fracturado. La diferencia entre enfoques debería ser claramente

valorada, teniendo en cuenta que los métodos que se emplean tradicionalmente para

caracterizar los medios porosos son de valor limitado en los acuíferos de rocas

fracturadas debido a la heterogeneidad (Cook et al., 2003).

Los requisitos de la ANLA para el otorgamiento de licencias ambiental, en cuanto a la

hidrogeología de proyectos de construcción de carreteras y/o túneles, considera aspectos

que sirvan como base para caracterizar la zona de estudio, en cuanto a la calidad y

cantidad de los acuíferos. Se deben identificar los acuíferos, zonas de recarga y

descarga, direcciones generales de flujo, el tipo de acuífero, calidades y tipos de usos

actuales e investigaciones hidrogeológicas realizadas en la zona por diferentes

instituciones estatales y/ o educativas (MADS & ANLA, 2015).

De la misma forma, el Instituto Nacional de vías (INVIAS), entidad encargada de la

ejecución de las políticas, estrategias, planes, programas y proyectos de la


infraestructura referente al transporte vial, férreo, fluvial y marítimo de la nación,

desarrolló la primera edición del manual para el diseño, construcción, operación y

mantenimiento de túneles de carretera (2015). En él se consideró un apartado de

hidrogeología para las fases de investigación y caracterización del terreno. Pese a incluir

los pasos fundamentales para la construcción del modelo, continúan siendo lineamientos

generales, poco específicos para medios fracturados.

Recientemente Osorio, (2015) propuso una metodología general para la construcción de

modelos hidrogeológicos conceptuales en rocas fracturadas, a partir de la recolección de

información que se realiza en la etapa de prefactibilidad de los proyectos, incluyendo los

requerimientos ambientales estipulados por la ANLA y planteando la metodología para

cubrir las necesidades de este tipo de medios.

1.2.5 Métodos de Estimación de Infiltraciones en Túneles para Medios Fracturados

Con la intervención de un túnel o cualquier tipo de obra subterránea, ocurre un efecto de

galería drenante. Esto, quiere decir que la mayor parte del agua contenida en el medio

rocoso irá en búsqueda de menor presión por los canales preferentes de flujo como fallas

y fisuras en la roca, hasta la excavación. Los impactos de este efecto, traen consigo

graves consecuencias, como el abatimiento del nivel freático, secado de fuentes

superficiales, contaminación de acuíferos, entre otros. Lo anterior, resume la importancia

del estudio para la predicción y el manejo de influjos.

Los modelos numéricos y las soluciones analíticas, semi-empíricas y empíricas, son en

síntesis los enfoques empleados para calcular el influjo en los túneles. Los datos de

entrada no son iguales en todos los sitios, debido a que la distribución de las fracturas

varia de un sitio a otro (Holmøy, 2008). La geometría del sistema de fracturas depende

de las características litográficas y estructurales locales, y el grosor y naturaleza del

estrato alterado depende tanto de estas características como de las condiciones de

intemperismo (UNESCO, 1985), por lo cual resulta difícil hacer estimaciones y

suposiciones del agua almacenada en un macizo rocoso.

En la modelación hidrogeológica, la predicción del comportamiento de flujo en medios

fracturados se centra en identificar y localizar las fracturas hidráulicamente conductivas,



que pueden formar sistemas o redes bien interconectadas o limitadas. Para establecer

estos sistemas algunas veces es necesario localizar las fracturas hidráulicamente

activas, lo que se refiere a un gran número de fracturas interconectadas, que permiten el

almacenamiento y el flujo. En otras ocasiones puede ser suficiente con determinar los

tipos de patrones que forman las fracturas o sus propiedades estadísticas como su

orientación, dirección y densidad de fracturamiento, o simplemente localizar únicamente

las principales fracturas. Cabe mencionar que también debe tenerse en cuenta que uno

de los mayores riesgos en la infiltración de agua al túnel son las zonas de falla (Holmøy,

2008). Sin embargo es el completo conocimiento y entendimiento del medio geológico,

hidrogeológico e hidráulico del macizo el que permitirá realizar predicciones acertadas.

En la Figura 1- 6 presenta el esquema del modelo conceptual del impacto del túnel en un

macizo rocoso, con fracturamiento.

Figura 1-6: Boceto de la Dinámica de Aguas Subterráneas en un Medio Fracturado con

la Construcción de un Túnel (Modificado de Holmoy, 2008).


La permeabilidad en los medios fracturados, será mayor mientras mayor sea la

frecuencia de fracturas; factores como la temperatura, el campo de esfuerzos, la

capacidad de disolución, cementación, relleno y meteorización, influyen en la capacidad

hidrogeológica de cualquier tipo de fractura (Davis & DeWiest, 1971; Freeze & Cherry,

1979; Singhal & Gupta, 2010 en Romero, 2014). Los efectos de la rugosidad y el relleno

en la discontinuidades poseen especial importancia, ya que estos determinaran la

magnitud de la circulación de flujo, que es más sensible mientras mayor sea el grado de

abertura de la discontinuidad (Snow, 1968).

Existen numerosas formulas analíticas para el cálculo de las infiltraciones, que han sido

estudiadas alrededor del mundo, sin embargo debe considerarse que las observaciones

y el conocimiento previo del entorno resulta más efectivo que la aplicación de ecuaciones

estandarizadas. La investigadora noruega Kristen Hilde Holmoy en su tesis doctoral

elaborada en el año 2008, realizó un análisis de la importancia de los parámetros

geológicos para la predicción de fugas de agua en los túneles de roca dura, partiendo de

la validación de varias hipótesis en seis túneles escogidos para diferentes condiciones

geológicas en Noruega, tales como granodioritas plutónicas, gneis, rocas magmáticas,

granitos y rocas sedimentarias. Estas hipótesis se enumeran a continuación:

1. La fuga de agua es menor en macizos rocosos cuando los valores de índice Q de

Barton, son inferiores a 0.1, que en macizos cuyos valores de Q se encuentran

entre 0.1 y 10.

2. Las diaclasas conductivas forman un ángulo entre 45 ° 15 ° con las principales

fallas cercanas.

3. Las discontinuidades de los acuíferos son sub-paralelas al mayor esfuerzo

principal.

4. La fuga de agua disminuye al aumentar la cubierta de roca.

5. Un gran espesor de suelo permeable o un lago / mar por encima de un túnel da

alta fugas de agua.

6. Las rocas ígneas dan mayor fuga de agua que otros tipos de roca.

7. Los principales límites o contactos entre diferentes tipos de roca dan alta las

fugas de agua.

8. Las grandes zonas de debilidad dan, relativamente, mayor fuga de agua que las

zonas estrechas de debilidad.



De las anteriores hipótesis solo se encontró soporte entre las número 1, 2, 3, 6 y 7 de las

cuales concluyó que la asignación de campos geológicos con énfasis en la unión y la

orientación de las zonas de debilidad de falla eran los aspectos más importante para

pronosticar el flujo, y que los ensayos geoléctricos, sísmicos y las pruebas de presión de

aguas demostraban una buena capacidad para pronosticar las fugas de agua, a

diferencia de los valores medidos con ensayos lugeon. Adicionalmente considera que el

mapeo geológico profundo, es base fundamental para el pronóstico de los influjos y que

por ende la comprensión de la geología regional y estructural debe enfatizar en la

orientación de las discontinuidades y las zonas de debilidad.

Para la investigación que se desarrolla, se consideraron válidas las hipótesis propuestas

por Holmøy (2008), ya que las teorías son aplicables en los medios fracturados y pueden

ser evaluadas en la geología de la Cordillera Central Antioqueña.

2. Metodología

El planteamiento de la propuesta metodológica, tiene que ver con el hecho de que la

geología estratigráfica y estructural controla la presencia y distribución del agua en los

macizos rocosos (Vargas, 2001). En consecuencia, se parte de identificar los indicadores

geológicos y geomecanicos, como el análisis del patrón de fracturamiento y las familias

hidráulicamente conductivas que contribuyen a la existencia de infiltraciones en un túnel

u obra subterránea. De acuerdo con lo anterior la metodología empleada se basó en

desarrollar las siguientes tres (3) fases:

Fase I: Recopilación de Información

Fase II: Análisis de la caracterización geomecánica de varios túneles en la

Cordillera Central, del departamento de Antioquia

Fase III: Planteamiento de la Propuesta Metodológica

FASE I: Recopilación de Información

La obtención de los elementos necesarios para plantear y dar solución a las

problemáticas planteadas requiere de una recolección previa de información, de la cual

partan los fundamentos teóricos y empíricos para plantear, dar solución y sustentar las

hipótesis de trabajo. En esta primera fase se recolectó toda la información relacionada

con la modelación hidrogeológica en medios fracturados y la información secundaria

necesaria para los análisis geomecánicos, geológicos e hidráulicos de túneles en la

cordillera en estudio, incluyó información proveniente de las siguientes actividades:

Mapeo de la geología estructural:

Perforaciones

Índice de calidad de la roca (RQD)

24 Propuesta metodológica para la construcción de un modelo hidrogeológico conceptual de un túnel en roca fracturada en la Cordillera Central, Departamento de Antioquia

Para las discontinuidades:

Orientación y dirección

Origen

Espaciamiento

Longitud y continuidad

Rugosidad

Grado de alteración (meteorización)

Abertura

Relleno

Número de familias de diaclasas

Filtraciones

FASE II: Análisis de la caracterización geomecánica y geológica de varios túneles

en la Cordillera Central, del departamento de Antioquia

Esta fase se trató de la integración de aspectos tales como la geología, la geomorfología,

la hidrología y la geotecnia, para definir si existen indicadores que permitan determinar

un patrón de comportamiento y poder predecir los influjos ocasionados por una

excavación subterránea. Teniendo en cuenta que las consideraciones geológicas de las

cuales se debe partir, son la base fundamental del desarrollo y la fiabilidad del modelo

hidrogeológico conceptual, se planteó el análisis estadístico de la información estructural

levantada para varios túneles y la geología estructural regional.

FASE III: Planteamiento de la Propuesta Metodológica

Una vez comprendido el estado del arte de los modelos hidrogeológicos en formaciones

de rocas fracturadas, la zona de estudio y los resultados de la caracterización

geomecánica de los túneles analizados, la tercera fase comprendió el planteamiento de

la metodología general para el modelo hidrogeológico conceptual. En la Figura 2-1 se

presenta el esquema conceptual de la metodología desarrollada.

Alcances Generales

El alcance de este trabajo es el planteamiento de una metodología que describa los

pasos para construir un modelo hidrogeológico conceptual, desarrollado para determinar

Metodología 25

las zonas de influjos generados por la excavación de un túnel en medio fracturado,

mediante el análisis de la conductividad hidráulica definida a partir de una caracterización

geomecánica y geológico-estructural, fundamentada en la recolección de información de

las fracturas.

La caracterización propuesta se realiza para varios túneles en la Cordillera Central en

territorio del Departamento de Antioquia, Colombia.

Limitaciones

Los resultados y análisis de la caracterización de los túneles se ve limitado por la

disponibilidad de información, falta de estudios detallados en la zona de estudio, y

diferencia en los enfoques utilizados en cada proyecto para el registro de los datos.

Figura 2-1: Esquema de la metodología empleada para el planteamiento de la propuesta

metodológica objeto de investigación.

3. Zona de Estudio

3.1 Descripción General

La zona de estudio corresponde a la delimitación de la Cordillera Central en el

Departamento de Antioquia, que se encuentra ubicada entre las latitudes 5° 25’ 16,11”N

y 7° 30’ 10,59”N y las longitudes 75° 49’ 36,45” W y 74° 26’ 5,31” W. Los Valles del Río

Magdalena y el Río Cauca la separan de las cordilleras Oriental y Occidental

respectivamente. Es dividida en dos ramales, por el Río Porce desde su nacimiento en la

Cuchilla de San Miguel, hasta su desembocadura en el Río Cauca, a partir del

nacimiento del Río Medellín se amplía dado origen al Valle de Aburrá y a los Llanos de

Cuivá (Gonzalez, 2001). Comprende una extensión aproximada de 20900 km² y su

máxima altura es aproximadamente 3356 m.s.n.m. Posee una temperatura media anual

aproximada de 26 °C y una precipitación media anual aproximada de 2392 mm

(CORANTIOQUIA, 2006).

Hidrográficamente la rodean los ríos Cauca a su izquierda y Magdalena a su derecha, de

los cuales nacen en la cordillera sus principales afluentes tales como los ríos Arma,

Poblanco, Grande, Anorí, Espíritu Santo, Porce y la quebrada Sinifana del río Cauca y

Ríos Samaná Sur, Nus, Miel, Samaná Norte, Río Nare, San Carlos, Guatapé del río

Magdalena.

La Cordillera Central en Colombia, que hace parte del sistema orográfico de la cordillera

de los Andes, se extiende de sur en el Macizo Colombiano en el departamento del Cauca

hasta el norte en la serranía de San Lucas en el Caribe colombiano, cruzando los

departamentos de Antioquia, Bolívar, Caldas, Cauca, Huila, Nariño, Putumayo, Quindío,

Risaralda, Tolima y Valle del Cauca. Posee una longitud aproximada de 1000 km y una

superficie de 110.000 km2.

En la Figura 3-1 se presentan la localización de la zona de estudio en el contexto

internacional, nacional y departamental.


Figura 3-1: Ubicación de la zona de estudio

3.2 Descripción General

3.2.1 Marco Geológico

Geología Regional

La actividad ígnea de la Cordillera Central se inició en el Pérmico durante la Orogenia

Hercínica, extendiéndose hasta el Triásico con la intrusión de stocks adamelíticos en el

flanco Occidental de la Cordillera Central y continuó, de una manera más intensa durante

el Jurásico, siguiendo hasta finales del Cretácico, con dos ciclos magmáticos bien

definidos, uno en el Cretácico temprano y otro en el Cretácico tardío. Estos ciclos

intrusivos se manifiestan tanto en el borde Oriental como Occidental de la cordillera

(Gonzalez, 2001)

La Cordillera Central se compone de un basamento polimetamórfico Pre-Mesozoico que

incluye rocas oceánicas y continentales, intruído por varios plutones mesozoicos y

cenozoicos relacionados con la subducción de la litosfera oceánica debajo de la cadena

de los Andes (Vargas Jiménez & Duran Tovar, 2005). Existen incluso depósitos

molásicos como el Terciario Carbonífero (Formación Amagá), como también volcanes

activos asociados a la subducción de la placa de Nazca, que se localizan a lo largo de la

cordillera (Taboada, Rivera, Fuenzalida, Cisternas, & Hervé, 2000).

Zona de Estudio 29

En general, la Cordillera Central representa un espesor cortical aproximado de 35 km,

compuesto por un núcleo de neises y anfibolitas precámbricas, posiblemente del

paleozoico temprano que forman parte del Escudo de Guayana, y una faja geosinclinal

pericratónica adosada al mismo, compuesta por metasedimentitas del Paleozoico con

facies de esquistos verdes y anfibolita (Alvarez. A. J., 1983).

En el departamento de Antioquia, la Cordillera Central, se encuentra conformada por una

serie de rocas metamórficas, ígneas y sedimentarias, que varían cronológicamente en

edades geológicas desde el Paleozoico hasta el Cuaternario. La Figura 3-2 muestra las

unidades geológicas presentes en la zona de estudio.

Figura 3-2: Unidades Geológicas de la Cordillera Central en el departamento de Antioquia, (INGEOMINAS, 2015)


Unidades Litológicas de Interés

Cerca del 20% del territorio colombiano está conformado por rocas ígneas y

metamórficas concentradas principalmente en la Cordillera Central, la Sierra Nevada de

Santa Marta y el Escudo de la Guyana en la parte más oriental del país (Vargas, 2001).

En general, la Cordillera Central, tanto a nivel del departamento de Antioquia, como en su

extensión hacia el sur del país, está constituida principalmente por rocas metamórficas,

que evidencian variaciones considerables en sus paragénesis metamórficas, como en los

rasgos texturales y edades isotópicas (INGEOMINAS, 2005).

Con base en los numerosos estudios realizados se ha llegado a la conclusión que las

rocas metamórficas forman el núcleo de la Cordillera Central y constituyen un cinturón

con tendencia regional aproximadamente S – N. A raíz de la constante actividad

tectónica que se ha desarrollado en esta zona, los buzamientos de los paquetes rocosos

son muy variables, tanto en inclinación como en dirección (rumbo), (Chica, Buitrago,

Monsalve, & Morales, 2003).

En la zona delimitada de estudio, las rocas ígneas representan un 48.8% del área y se

encuentran principalmente en la zona central, donde se localiza el Batolito Antioqueño

que cubre cerca de 7800 km² (Londoño, 1998); el 45.3% del área de estudio

corresponde a las rocas metamórficas, de las cuales predomina la formación Cajamarca;

y el porcentaje restante corresponde a las rocas sedimentarias.

Las zonas terciarias y mesozoicas son más abundantes hacia el oeste y van

desapareciendo hacia el este, hasta encontrar las rocas metamórficas del Paleozoico

tardío a Mesozoico temprano y los cuerpos batolíticos emplazados en estas durante la

orogenia del jurásico medio-cretaceo tardío y que forman el núcleo de la cordillera

(González, 1980).

A continuación se realiza una breve descripción de las unidades litológicas de mayor

interés en el área de estudio y su ubicación dentro de ella, de acuerdo con las

descripciones presentadas en la memoria del mapa geológico del departamento de

Antioquia, escala 1:400.000 de INGEOMINAS (2001).

Zona de Estudio 31

Rocas Ígneas

Dentro de la zona de estudio, predominan los cuerpos intrusivos de la unidad geológica

de El Batolito Antioqueño - Ksta (Botero 1940, 1942). Este cuerpo, originado en el

Mesozoico, es uno de los cuerpos plutónicos de mayor extensión en la Cordillera Central

de Colombia; posee una forma trapezoidal, con su mayor dimensión en dirección NW-SE

(Londoño, 1998). Se caracteriza por su homogeneidad litológica y poca variabilidad

petroquímica donde predominan rocas granitoides de la serie granodiorita-tonalita,

faneriticas equigranulares de grano medio (Gonzalez, 2001).

Los procesos de meteorización y erosión que han actuado sobre estas rocas, han

generado geoformas de semicolinas redondeadas de baja altura, donde los agentes de

transporte de material modelan el paisaje y contribuyen a formar vertientes cortas en

valles estrechos y altiplanicies con drenaje dendrítico como respuesta a los procesos de

escorrentía (INGEOMINAS, 2011). Actualmente las rocas del Batolito Antioqueño se

meteorizan en un medio ecuatorial húmedo que favorece la acción de los agentes

meteorizantes sobre un macizo rocoso fracturado, el cual ha dado origen a saprolitos

profundos (Londoño, 1998).

Rocas Metamórficas

Las unidades de rocas metamórficas en la zona de estudio, fueron originadas durante el

proterozoico, Mesozoico y Paleozoico. Según (Chica et al., 2003), las rocas metamórficas

de la Cordillera Central han sido agrupadas en dos unidades principales:

Complejo Cajamarca

Complejo Arquía

Complejo Arquía (Kica): Fue definido por Restrepo y Toussaint, (1974) en Gonzáles

(1993). El nombre de este complejo (“Arquía”) proviene de las rocas aflorantes en la

Quebrada Arquía en los límites entre Antioquia y Caldas (Jean Francoise Toussaint y

Restrepo, 1976, en Ruiz-Jiménez et al., 2012). Esta unidad se localiza en el flanco oeste

de la Cordillera Central, en los municipios de Ebejico, Heliconia, Armenia, Angelópolis y

Titiribí.

Está conformado por una faja de rocas metamórficas de media y alta presión limitadas en

el oeste por la Falla Cauca-Almaguer y al este por la Falla Silvia-Pijao (López, 2004),


donde separa las rocas volcano-sedimentarias oceánicas del complejo Quebradagrande

y limita con rocas de la formación Barroso (Gonzalez, 2001).

El complejo está constituido por esquistos anfibolíticos, esquistos sericíticos y anfibolitas.

En él se incluyen los esquistos de Sabaletas, Grupo Arquía, Esquistos de Lisboa-

Palestina, Grupo Bugalagrande, Complejos Bolo Azul y El Rosario, Esquistos de

Barragan, Esquistos de Jambaló y la secuencia metamórfica de Buesaco (Ruiz-Jiménez

et al., 2012). A continuación se describen las unidades litológicas según Gonzalez,

(2001).

Anfibolitas: Son las más representativas de la unidad. Presentan intercalaciones

menores de esquistos anfibolíticos y pequeños y escasos cuerpos ultramáfitas. Son

rocas macizas, con esquistosidad penetrativa definida y fuertemente diaclasada.

Esquistos Anfibolíticos: Presentan estructura esquistosa bien definida de dirección N

15°E a N5°W y marcados por orientación paralela a subparalela de cristales fibrosos

o alargados de anfíbol.

Esquistos Sericíticos-Grafitosos: Rocas ricas en pirita y grafito, con una esquistosidad

penetrativa bien desarrollada. Presentan plegamiento como consecuencia de la

ductilidad debido al alto contenido de grafito.

Complejo Cajamarca (Pznf, Pzes, Pzev, Pzei, Pzq, Pzm, Pza): Agrupado como unidad

litodémica denominada “Complejo Cajamarca” por Maya y González (1995). Esta unidad

está compuesta por rocas metamórficas de bajo grado, que constituyen el basamento de

la Cordillera Central. Limita al este por la Falla San Jerónimo y al oeste por la Falla Silvia-

Pijao (López, 2004) y las fallas Otú-Pericos, la separan de las unidades metamórficas

precámbricas (Gonzalez, 2001).

De acuerdo con Gonzalez, (2001), el Complejo Cajamarca agrupa las unidades

metamórficas, de extensión regional, en las cuales predominan dos tipos de esquisto de

bajo a medio grado, intercalados con cuarcitas y localmente con mármoles, neises

alumínicos de medio grado y algunos cuerpos lenticulares, de anfibolitas, ellas son:

Grupo Cajamarca (Nelson, 1957, 1962)

Grupo Ayurá – Montebello (Botero, 1963)

Grupo Valdivia (Hall et al., 1972)

Zona de Estudio 33

Rocas Metamórficas de la Cordillera Central (Feininger et al., 1972)

Según su composición química se dividen en grupo Pelítico (neises alumínicos, esquistos

cuarzo-sericíticos, esquistos grafíticos), grupos Básicos (anfibolitas esquistos

anfibolíticos), grupos Calcáreos (mármoles y esquistos calcáreos) y grupos Cuarzosos

(cuarcitas, esquistos y neises cuarzosos), (Gonzalez, 2001).

En cuanto al metamorfismo, El Complejo Cajamarca posee tres series de metamorfismo

regional progresivo. La serie de más bajo grado de metamorfismo se localiza en el flanco

occidental de la Cordillera Central y está limitada al oeste por la falla San Jerónimo. La

segunda comprende la mayor parte de rocas metamórficas dentro de las facies de

esquisto verde y anfibolita. Por ultimo comprende rocas de grado más alto, al este de la

Falla Otú, que son básicamente neis feldespáticos y alumínicos (Gonzalez, 2001).

3.2.2 Geología Estructural

El departamento de Antioquia se caracteriza por poseer una tectónica compleja debido a

su ubicación cerca de la unión triple del Darién de las placas de Nazca, Caribe y

Suramérica (Sánchez Uribe, 2006). La Cordillera Central, que atraviesa el departamento

hace parte del Bloque Andino, actualmente afectado por un campo de esfuerzos

compresivos en dirección E-W producido por las placas Nazca y Suramérica (Ver Figura

3-3). El desplazamiento a lo largo del Sistema Frontal Oriental es una combinación de

tipo inverso y de rumbo lateral derecho, indicando que la región de los Andes del Norte

está afectada por esfuerzos de tipo transpresivos (Monsalve y Mora 2005; Toro y Osorio

2005, en Arias 1995). Las altas cadenas montañosas han sufrido un intenso plegamiento,

fallamiento, levantamiento y eventos magmáticos durante distintos episodios orogénicos

(González, 1980).


Figura 3-3: Mapa de direcciones de esfuerzos en Colombia, tomado de Trenkamp et al (2002).

En la zona de estudio, la Cordillera Central está limitada tectónicamente en su flanco

occidental por el sistema de fracturas de Romeral y al oriente por el sistema Palestina-

Mulato, donde resalta la falla Otú-Pericos. Las unidades asociadas a estos sistemas

desarrollan una esquistosidad o foliación cataclástica, que se superpone a la roca original

(Gonzalez, 2001). Hacia el centro del departamento se conserva un elipsoide encajado

en medio de estos sistemas de fallas de dirección predominante N-S (Arias, 1995).

Ambos sistemas de falla coinciden con las direcciones generales de los sistemas

tectónicos de la cadena andina (Page, 1986; Toussaint et al., 1987 en Gonzalez, 2001).

De acuerdo con Vargas Jiménez & Duran Tovar, (2005), el flanco occidental de la

cordillera es más empinado que el oriental, probablemente como producto del

movimiento transpresivo a lo largo de fallas de buzamiento este. El flanco oriental se

caracteriza por fallas inversas con buzamiento oeste localizadas a lo largo del pie de la

Cordillera.

El sistema de fallas de Romeral, se extiende a lo largo de los límites entre la Cordillera

Central y la Depresión intermontana Cauca-Patia(CPID). Estas fallas subdividen los

Andes Colombianos en dos regiones: La occidental y la oriental, localizadas al este y

oeste respectivamente (Taboada et al., 2000). Se caracteriza por fallas inversas con

Zona de Estudio 35

buzamientos al este y fallas de rumbo, que hacen parte de una gran vergencia hacia el

oeste con cinturones de cabalgamiento y plegamiento que envuelven el basamento. Este

sistema presenta tendencias N-NE y muestra trayectos activos con desplazamientos

laterales derecho en el sur de Colombia. Al norte de los 4º N y hasta los 8ºN, las fallas

muestran desplazamientos laterales izquierdos, probablemente asociados a la

convergencia E-SE entre el bloque del Chocó y el noroeste de Suramérica. Al norte de la

latitud 8ºN, el Sistema de Fallas Romeral se extiende hacia la región del Caribe

colombiana mostrando actividad muy baja o extinta (París y Romero, 1994; Guzmán et

al., 1998 en Vargas Jiménez & Duran Tovar, 2005).

Las principales fallas del sistema romeral, correspondientes a San Jerónimo, Silvia-Pijao

y Cauca Almaguer presentan una orientación general N20-30°E (Maya y González, 1995,

citados en Lopez, 2006). Las fallas Sabanalarga al oeste, San Jerónimo al este y en el

centro, la falla Romeral, componen la zona de falla Romeral como tres fallas subparalelas

que se entrecruzan en algunos sitios (Barrero et al, 1969 en González, 1980). La

principal zona de debilidad en Colombia se encuentra en la zona de Falla Cauca -

Romeral, que junto con sus prolongaciones por debajo de los sedimentos terciarios de la

Costa Atlántica, constituyen la llamada zona de cizallamiento Dolores, la cual se extiende

por más de 1000 km desde el Ecuador hasta Barranquilla. Regionalmente la dirección

preferencial de este sistema es S – N, variando a NNE y donde sobresalen las fallas

Cauca – Almaguer, Silvia – Pijao y la falla San Jerónimo (Chica et al., 2003).

Los desplazamientos sinestrales del “Sistema de fallas de Romeral”, están relacionados

con un cambio en el ángulo de subducción, por empuje del bloque Panamá hacia el SE

contra el Bloque Andino. Con base en sismicidad superficial en el Océano Pacífico y

sismicidad intermedia en las Cordilleras Central y Occidental, define la existencia de un

alineamiento EW a la latitud 5.2ºN y lo interpretan como una importante zona de cizalla

(Page, 1986 en López, 2004).

El sistema de Fallas palestina se presenta como una depresión inicial marcada, formada

por valles alargados y alineados y boquerones profundos en las crestas de los cerros.

Afecta sustancialmente a rocas metamórficas y desplaza unidades litológicas por 20 Km

en sentido lateral derecho (Barretos, 2004). Tiene rumbo de N10° - 20°E (Page, 1986 en

AMVA, 2006). Constituye una zona de debilidad de 0.5 a 30 kilómetros de ancho. Las

fallas de este sistema que afloran en la zona de estudio son: Palestina, Otú, Cocorná,


Chupadero y Aquitania, que probablemente se entrelazan en profundidad formando lo

que se conoce como “cola de caballo”. Su tasa de movimiento, medido a partir de

desplazamientos en superficies de erosión, se estima en 0.2 mm/año (Chica et al., 2003).

Regionalmente, en la zona de estudio se presenta al occidente las fallas la Espíritu

Santo, Santa Rita, Cauca-Almaguer, Gaserón, La Trinidad, Amagá, Quirimará,

Piedecuesta, La Cascajosa, Silvia-Pijao, La Estufa, Santa Elena, La Acuarela, Río Chico,

San Jerónimo y la falla del río Perrillo. En el oriente se tienen las fallas Liberia, La Clara,

Riachon, Nare, Biscocho, Miraflores, La Caldera, el Nus, Otú, Cocorná, Palestina,

Aquitania, Balseadero, Chupadero y Samaná. En la Figura 3 4 se presenta el esquema la

distribución espacial de dichas estructuras dentro de la zona de estudio.

Figura 3-4: Esquema de distribución del sistema de fallamiento en la Cordillera Central, en el departamento de Antioquia

Zona de Estudio 37

3.3 Marco Geomorfológico

La geomorfología de la Cordillera Central, está influenciada por la composición geológica

y los fenómenos tectónicos que han actuado para su formación. Los ambientes

geomorfológicos están controlados por procesos que pueden ser estructurales,

deposicionales, erosiónales, disolucionales, residuales o mixtos. En la zona de estudio se

pueden diferenciar cuatro tipos de relieves, correspondientes a cañones, escarpes,

frentes erosivos y superficies de erosión o altiplanos. En la Figura 3-5 se presentan el

mapa de unidades geomorfológicas.

Tal y como se evidencia en la figura, los altiplanos, son las superficies de erosión

característica en la Cordillera Central. En Antioquia, el sistema escalonado de altiplanos,

hace parte de un bloque tectónico levantado, limitado al occidente por el sistema de fallas

Romeral y al oriente por el sistema de fallas Palestina (IGAC, 2007). Según Arias (1995)

se pueden agrupar en tres generaciones de desarrollo, el altiplano Antiguo, el Altiplano

Intermedio y el altiplano Inferior. El altiplano Antiguo también conocido como el altiplano

Belmira – Sonsón, se ubica al occidente de la zona de estudio, en forma de franja

alargada con dirección norte-sur a N10°-20°W. El altiplano intermedio o altiplano Santa

Rosa – Rionegro, ubicado al centro de la cordillera, es el más extenso en la zona de

estudio; El cañón del río Medellín y la formación del Valle de Aburrá lo dividieron en el

altiplano de Santa Rosa y el altiplano de Rionegro. Se caracterizan por una morfología

que va de fuerte a suavemente ondulados con pendientes inclinadas a muy inclinadas

que varían entre los 6° y los 15°. El altiplano inferior o altiplano del Nordeste, conformado

por el altiplano Carolina-Gomez Plata, altiplano Anorí y el altiplano Amalfi Yolombó.


Figura 3-5: Unidades geomorfológicas de la cordillera Central, tomado del mapa geomorfológico de Antioquia del IGAC, (2007)

En las zonas donde discurren los principales drenajes, correspondientes al Río Porce,

Río Grande y Río Medellín, se presenta una dirección predominante N-E, con pendientes

que van desde muy inclinadas a escarpadas (11° a 45°) y que forman un relieve de

cañones. El cañón del río Nús se caracteriza por su orientación W-E. De acuerdo con

Arias (1995) los cañones se puedes agrupar en dos tipos diferentes, según su grado de

ramificación. Los cañones sin ramificación significativa, que corresponden a cañones en

los cuales el ancho supera significativamente la profundidad, en ellos está el valle de

Aburrá, los cañones del río Medellín, el río Porce, el río Nus y el curso inferior del Río

Grande. Los cañones muy ramificados aquellos en donde se transforma el relieve de

altiplanos en un relieve montañoso; entre ellos se encuentran el cañón del río Cauca, del

río Nechí y del Río Nare.

El relieve montañoso presente en ambos flancos de la Cordillera Central, corresponde a

otra unidad geomorfológica que a gran escala configuran el relieve de la región. Dichos

relieves han sido generados por los escarpes que conectan las diferentes superficies de

erosión y los cañones ramificados que evidencian la entrada de los frentes erosivos de

los ríos Cauca y Magdalena (CORNARE, 2012). En la zona de estudio se presentan dos

Zona de Estudio 39

escarpes regionales importantes, el escarpe erosivo regional San José de La Montaña –

Guatapé que marca la separación entre los altiplanos antiguos e intermedio y el escarpe

San Pablo – Yarumal, que marca el límite entre los altiplanos de Santa Rosa y Carolina –

Goméz Plata (Arias, 1995). Estos escarpes se caracterizan por presentar pendientes que

van entre 11° a mayores de 45°. En las Figura 3-6, Figura 3-7 y Figura 3-8 se muestran

los perfiles característicos del relieve de la zona de estudio.

Figura 3-6: Perfil A-A´. Muestra de la sección transversal de las unidades de relieve localizadas al norte de la zona de estudio

Figura 3-7: Perfil B-B´. Muestra de la sección transversal de las unidades de relieve localizadas al centro de la zona de estudio (altiplanos Belmira, -Santa Rosa, Carolina-Gomez plata y Anorí-Amalfi-Yolombó)


Figura 3-8: Perfil C–C´. Muestra de la sección transversal de las unidades de relieve localizadas al centro de la zona de estudio en el Valle de Aburrá.

3.4 Marco Hidrológico

3.4.1 Hidrografía

La Cordillera Central, en la región del nororiente antioqueño, se caracteriza por poseer

una gran riqueza del recurso hídrico. En la zona de estudio se presentan tres de las

zonas hidrográficas más importantes del país, ya que corresponden a las cuencas de los

ríos que contribuyen a un alto porcentaje de generación y desarrollo de energía en todo

el territorio. Estas zonas hidrográficas son la zona hidrográfica del Cauca, la zona

hidrográfica del Medio Magdalena y la zona hidrográfica Nechí, que forman parte del área

hidrográfica Magdalena Cauca (IDEAM, 2010).

Dentro de la zona hidrográfica del Cauca se encuentran las cuencas del Rio Arma y gran

parte de la cuenca del Rio Cauca, segunda arteria fluvial de Colombia, que fluye en

sentido sur - norte, de manera sinuosa atravesando varios ambientes geológicos y

recibiendo varias corrientes tributarias a lo largo de su recorrido. En la zona hidrográfica

del Medio Magdalena, se encuentran las cuencas del Rio Samaná sur, Rio Magdalena

(medio), Rio Samaná Norte, Rio Regla y el Rio Cimitarra. En la zona hidrográfica Nechí

se encuentran las cuencas del Rio Porce y el Rio Nechí, siendo el rio Porce una de las

principales fuentes hídricas alimentadoras para la generación de energía eléctrica.

La cuenca de mayor área en la zona de estudio es la cuenca del Río Samaná Norte, que

se encuentra ubicada en el flanco este de la cordillera Central; le sigue a éste la cuenca

del Río Porce al norte de la zona de estudio.

Zona de Estudio 41

Cabe mencionar que las características topográficas en la zona de estudio, han

propiciado la viabilidad para varios proyectos hidroeléctricos. Dentro de la zona de

estudio se encuentran ubicados 13 embalses, como son el embalse de Rio Grande I y II,

Porce II, San Lorenzo, Las Playas, El Peñol, Punchina, La Fé, Piedras Blancas, La

García, Troneras, Miraflores, Porce III.

En la Figura 3-9 se muestran las divisiones de las zonas hidrográficas con sus

respectivas cuencas y ríos, además de tener la variación de la elevación con sus valores

mínimos y máximos.

Figura 3-9: Esquema de ubicación de las cuencas hidrográficas de mayor importancia en la Cordillera Central

3.4.2 Variables Climatológicas

El clima en la zona de estudio presenta grandes variaciones debido a la diferencia

altitudinal encontrada en la Cordillera Central. Los municipios bajos más cercanas a ríos

como el Cauca y el Magdalena son de clima cálido, y las zonas de clima húmedo, frío y

muy frio corresponden a los paisajes de montaña y altiplanicies. En general, la

temperatura oscila entre los 9° y 27 °C y la altitud de la zona varía entre los 95 a los 3390

m.s.n.m (IGAC, 2007).


El régimen de lluvias varía entre 1512 y 5200 mm anualmente, con dos temporadas de

lluvias, por lo general en los meses entre abril-mayo y octubre-noviembre y tiempos

secos entre Enero-Marzo y Julio-Septiembre, sin embargo dichas épocas pueden variar

significativamente por la influencia del cambio climático. La intensidad de la precipitación

depende de las condiciones altimétricas. Las mayores precipitaciones se dan en los

municipios ubicados en el flanco oeste de la Cordillera Central (CORANTIOQUIA, 2006).

3.5 Marco Hidrogeológico

3.5.1 Descripción General

De acuerdo al Estudio Nacional del Agua de 2010, elaborado por IDEAM, la Cordillera

Central, conforma una de las 23 provincias hidrogeológicas definidas para Colombia en

escala 1:200.000. Dichas provincias se refieren a zonas homogéneas con características

litológicas, estructurales y geomorfológicas parecidas y que además, presentan un

comportamiento hidrogeológico homogéneo reconocible espacialmente. Estas unidades

se delimitaron apoyadas en la geología, definiendo las cuencas sedimentarias y unidades

tectónicas, convirtiéndose en provincias hidrogeológicas de acuerdo con su porosidad y

permeabilidad (IDEAM, 2010).

Según el Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible -MADS, la Cordillera Central,

corresponde a las zonas hidrogeológicas en ambiente ígneo metamórfico con recursos

limitados y desconocidos, en los que la circulación del agua subterránea está limitada

principalmente por la permeabilidad secundaria. En esta zona ocurren horizontes y lentes

calcáreos y detríticos, dentro de secuencias impermeables de litologías arcillosas y

turbidíticas, cretácicos y terciarios, que no han sido objeto de prospección hidrogeológica.

En consecuencia, deben esperarse recursos limitados para su explotación (Vargas, N. O.

2001 en IDEAM, 2010). En la Figura 3-10 se muestra el mapa de zonas hidrogeológicas

de Colombia, definidas en el Estudio Nacional del Agua de 2010, donde se evidencia la

unidad hidrogeológica correspondiente a la Cordillera Central.

A nivel local, la hidrogeología de la Cordillera Central en el departamento de Antioquia,

está influenciada por varios factores como la configuración topográfica, la geología y el

clima. Por encontrarse en una región tropical húmeda, la formación de los suelos se ve

Zona de Estudio 43

favorecida por los procesos de meteorización y fracturamiento del macizo rocoso,

facilitando la circulación de agentes meteóricos y químicos, que han propiciado la

formación de grandes espesores de suelo (Londoño, 1998). A nivel geomorfológico, se

presentan cuatro unidades características en toda la zona, que corresponden a cañones,

escarpes, frentes erosivos y altiplanos. De estos se ha demostrado en estudios

isotópicos (Hoyos, 2000; Hoyos, Vélez, Múnera & Arias 2001, Herrera, 2003; Palacio,

2007; Velez O. & Rhenals G., 2008; Campillo, 2012), que parte de la recarga de agua en

los valles proviene de los altiplanos. En estos altiplanos el agua se distribuye de dos

maneras: aguas de escorrentía y aguas de infiltración, que se da a través de los sectores

de rocas porosas permeables y a través de las fracturas intercomunicadas que facilitan el

flujo de agua hacia los valles de los cañones donde se conforman los acuíferos

(Camacho, 2002).

Figura 3-10: Zonas Hidrogeológicas en Colombia, Modificado de IDEAM (2010)

En la Figura 3-11 se presenta el esquema del modelo hidrogeológico conceptual, a nivel

general para la zona de estudio.


Figura 3-11: Esquema general del modelo hidrogeológico conceptual de la Cordillera Central, en el departamento de Antioquia.

Los principales acuíferos localizados en la zona de estudio, corresponden al Valle de San

Nicolás, el Valle de Aburrá; algunos sectores de interés hidrogeológico para el consumo

humano se presentan también en los municipios de Sopetrán, Liborina y Olaya, (Ver

Figura 3-12). De acuerdo con Hoyos et al. (2001), las características y la posición de las

unidades geomorfológicas mayores permiten postular que la recarga de la precipitación

ocurre en su totalidad en los altiplanos de Rionegro, La Unión y Piedras Blancas Santa-

Elena.

Hoyos et al. (1985), en el estudio del régimen de aguas subterráneas en suelos

residuales profundos derivados de rocas ígneas y metamórficas en la Cordillera Central

de Colombia, describió los perfiles típico de meteorización de suelo del batolito

antioqueño y los esquistos cuarcíticos y sericíticos, correspodientes al complejo

Cajamarca, mediante el análisis estratigráfico de más de 400 perforaciones dentro de la

zona de estudio. Propuso entonces que un perfil del Batolito Antioqueño presenta tres

zonas claramente diferenciables: una zona somera, una zona saprolítica y una zona de

Gruss o suelo residual derivado de rocas graníticas y granitoides en el que se conserva

la textura y las estructuras de la roca original. El perfil de los esquistos cuarcíticos y

sericíticos, a diferencia del batolito, no presenta zona de Gruss (Hoyos, 2001). A

continuación en la Tabla 3-1 se describen los horizontes del Batolito Antioqueño y en la

Tabla 3-2 los horizontes de los esquistos cuarcíticos y sericíticos.

Zona de Estudio 45

Tabla 3-1: Perfil típico de meteorización del Batolito Antioqueño, según Carillo (1973) citado en Hoyos (1985)

Zona Descripción Permeabilidad

Zona Somera Este horizonte puede llegar a varios metros de profundidad, de arcillas o limos arcillosos, pardo amarillentos, muy plásticos, parcialmente orgánicos.

Es del orden de 10 exp-6 cm/seg, excepto en los primeros 20-50 cm donde puede ser del orden de 0.01 cm/seg a causa de la bioturbación.

Zona Saprolítica

Corresponde a un horizonte de suelo de espesor variable, que puede alcanzar varias decenas de metros, compuesto de limos, limos arenosos y arenas limosas, de color pardo rojizo. Este suelo conserva la textura, diaclasas y zonas de cizalladuras de la roca madre.

Es del orden 10 expo-5 a veces, se encuentran núcleos residuales de roca fresca a parcialmente meteorizada cuyo número aumenta con la profundidad.

Zona de Gruss

Corresponde a un horizonte de suelo de espesor variable que puede alcanzar varias decenas de metros, de arenas o de arenas limosas, de color blanco a gris, formado por granos poliminerálicos en los que los feldespatos conservan su dureza original. La textura y estructuras originales de la roca se conservan claramente, a pesar de la alteración de los minerales que la componen. En esta zona se presentan abundantes bolas de roca con meteorización esferoidal. Generalmente el nivel freático se encuentra dentro de esta zona. Por debajo del horizonte de Gruss se encuentra la roca sana. La transición entre el Gruss y la roca sana es corta pudiéndose en general ubicar el límite superior de la roca sana en un rango de 1.0 m.

Alcanza normalmente valores del orden 10 expo -2 cm/seg.

Tabla 3-2: Perfil típico de meteorización de los Esquistos cuarcíticos y sericíticos, según Carillo (1973) citado en Hoyos (1985)

Zona Descripción

Zona Somera Corresponde a un horizonte delgado de limos arenosos, de color pardo verdoso a ocre, poco plástico, parcialmente orgánico, del grupo ML en la clasificación Unificada de Suelos, que alcanza por lo general hasta 2 m de espesor.

Zona saprolítica

Corresponde a un horizonte de suelo de espesor variable que puede alcanzar varias decenas de metros, de arenas limosas y limos de color pardo verdosos a rojizo, de los grupos SM y Ml en la clasificación Unificada de Suelos. Este suelo conserva la estructura heredada de la roca madre, las cuales controlan la permeabilidad de este horizonte.


Figura 3-12: Mapa de potencial hidrogeológico para la zona de estudio, modificado de la gobernación de Antioquia (2015).

De acuerdo con Hoyos et al. (1985), prácticamente la totalidad del agua subterránea en

el oriente antioqueño proviene de la infiltración de aguas meteóricas a una tasa bastante

uniforme a lo largo del año, dadas la condiciones climáticas imperantes. El agua circula

por el suelo en condiciones determinadas por la diferencias de permeabilidad en las

diferentes zonas que atraviesa y finalmente es drenada por los ríos y quebradas. Los

acuíferos resultantes son del tipo inconfinado

4. Caracterización Geomecánica e Hidrogeológica

En este capítulo se describe la caracterización de la geología local (geología

estratigráfica y estructural) e hidrogeología de tres proyectos, correspondientes a obras

subterráneas tipo túnel, que se ubican dentro de la zona de estudio. Los túneles

escogidos corresponden a aquellos a los cuales se tuvo acceso a la información, entre

ella mapeo de geología estratigráfica y estructural, y de infiltraciones al interior de la

excavación. Los proyectos utilizados en el trabajo son el proyecto hidroeléctrico

providencia, el proyecto Carlos Lleras Restrepo y el proyecto Porce III. En la Tabla 4-1

se indica el propietario y la localización general de los túneles, y en la Figura 4-1 se

muestra su localización dentro de la zona de estudio.

Tabla 4-1: Túneles de estudio

Túnel Propietario Ubicación

Proyecto Hidroeléctrico Providencia III

Mineros S.A Municipio de Anorí

Proyecto Hidroeléctrico Carlos Lleras Restrepo

Hidralpor S.A.S Santo Domingo y Barbosa

Galerías de drenaje -Proyecto Hidroeléctrico Porce III

Empresas Públicas de Medellín Amalfi, Anorí, Gómez Plata y

Guadalupe

La caracterización geomecánica e hidrogeológica de los ambientes geológicos en los

cuales se localizan los proyectos tuvo como propósito poder generar una base de datos

con la cual identificar la eventual relación entre las características de los macizos rocosos

y su conductividad hidráulica. Las conclusiones de este análisis pueden aportar al

desarrollo de modelos hidrogeológicos más reales.

La metodología de análisis de los datos se llevó a cabo con el procesamiento del mapeo

estructural de cada túnel, mediante registros de información acerca de la orientación, tipo

de discontinuidad e influjos y el análisis de la geología regional con respecto al

fracturamiento local. La información disponible consta del mapeo geológico de cada


discontinuidad dentro del túnel y su evaluación respecto a las principales fallas, la calidad

del macizo rocoso, el esfuerzo principal mayor, la cubierta de roca, las zonas de fuentes

de agua superficial y la geología.

El uso de la información base mostrada en este informe fue aprobado por los propietarios

de los proyectos. En la Figura 4-1 se muestra la ubicación de los túneles dentro de la

zona de estudio.

Figura 4-1: Localización de los túneles analizados en la Zona de Estudio

A continuación se presenta la información general de cada túnel, el marco geológico y

geomorfológico donde se desarrollan y los resultados obtenidos tras el análisis

geoespacial y estadístico de los parámetros geomecanicos y geológico-estructurales; Los

resultados de esta caracterización, de nuevo, son fundamentales para comprender las

fracturas hidráulicamente conductivas y no conductivas, que servirán como base para el

planteamiento de la propuesta metodológica.

Caracterización Geomecánica e Hidrogeológica 49

4.1 Túnel de Conducción Central Hidroeléctrica Providencia III

Este proyecto se encuentra ubicado en el municipio de Anorí en cercanías al

corregimiento de Charcón (Liberia), entre la latitud 7°19’58.1” y 7°18’52.9” norte y la

longitud 75°3’16.5” y 75°1’47.3” oeste. Su área de influencia comprende parte del flanco

oriental de la Cordillera Central y se sitúa en la parte baja de la cuenca hidrográfica del

río Anorí, afluente del río Nechí, el cual a su vez es afluente del río Cauca. La región

posee una temperatura anual promedio de 19°C y las lluvias en el año alcanzan un

promedio de 2.226 mm. La formación vegetal predominante corresponde a bosque muy

Húmedo Premontano (Municipio de Anorí, 2008).

En general el proyecto hidroeléctrico Providencia III, consta de una zona de captación

que toma aguas del río Anorí, túnel de conducción y dos ventanas de construcción que

empalman a este túnel, túnel de descarga, túnel de acceso a casa de máquinas y casa

de máquinas. El túnel de conducción posee una longitud total de 3400 m y el túnel de

descarga se divide en un primer túnel de 20 metros y un segundo túnel de 266 m.

Para esta investigación se emplearon los registros de mapeo estructural y la

caracterización geomecánica de los túneles de conducción y de descarga. En la Figura

4-2 se presenta la ubicación general del túnel.


Figura 4-2: Localización general del túnel de conducción de la Central Hidroeléctrica Providencia III.

4.1.1 Geología

A nivel regional, las unidades geológicas que afloran corresponden a rocas

metamórficas, ígneas y sedimentarias. Las rocas metamórficas son las más abundantes

del municipio y se encuentran relacionadas con las rocas metamórficas de la cordillera

Central, el Grupo Ayurá-Montebello, parte del Grupo Valdivia y del Complejo Cajamarca

(Municipio de Anorí, 2008).

El área de influencia del proyecto comprende rocas metamórficas y depósitos

sedimentarios del tipo aluvial y de vertiente, de edades del paleozoico y cuaternario

respectivamente. Los depósitos aluviales del río Anorí están conformados por bloques

de 0.30 a 0.50 metros de diámetro, empacados densamente, con presencia de gravas y

arenas gruesas en proporciones variables mientras que los depósitos de vertiente o

coluviales se encuentran conformados por bloques angulares de rocas metamórficas, tipo


cuarcita y esquisto, algunas de hasta 1 m de diámetro, aunque generalmente de 0.5m,

englobados en una matriz de limos rojos y gravillas (Mineros S.A, 2011).

En los túneles de conducción y de descarga, se presentan rocas del tipo Ortoneis (Pni) y

de Esquistos y Cuarcitas (Pes+Pnq); estas rocas constituyen parte del núcleo de la

Cordillera Central y se agrupan en el Complejo Cajamarca (González, 2011). A

continuación se describe cada unidad.

Unidades Litológicas

Esquistos Cuarzo-Sericíticos y Cuarcitas (Pes+Pnq): Esta unidad de rocas

metamórficas constituye la mayor parte del túnel. Correspondientes al Complejo

Cajamarca, son intercalaciones de esquistos (Pes) y cuarcitas (Pnq), que agrupa la

mayoría de rocas metamórficas del Complejo Polimetamórfico de la Cordillera Central

definido por Restrepo (1984) en Restrepo (2007). Aparecen como bandas de cuarcitas

silíceas de color gris claro intercaladas con esquistos sericíticos, cohesivos en sus planos

de esquistosidad y tonalidades de color gris oscuro. Los planos de esquistosidad que

resultan paralelos a los planos de estratificación de los sedimentos parentales,

constituyen la discontinuidad más notoria (Mineros S.A, 2012).

En Anorí, los esquistos cuarzo sericíticos se encuentran localizados al nororiente del

municipio, hacia Liberia, en las colinas ubicadas al oriente y occidente del casco urbano

de este corregimiento y al occidente de la falla Liberia, que corresponde a una falla de

rumbo que controla el curso del río Tenche antes de su desembocadura al Nechí y que

marca su límite oriental. Estas rocas se encuentran en general, en contacto fallado con

ortoneises (Municipio de Anorí, 2008). En la zona del proyecto, en la quebrada

Providencia ó Charco Amor, están en contacto fallado con los ortoneises, hasta varios

centenares de metros aguas abajo del sitio de descarga (Mineros S.A, 2012).

Ortoneis (Pni): Esta unidad litológica comprende la zona de captación y los primeros

860 m de túnel en el proyecto de la central hidroeléctrica Providencia III. Corresponde a

la unidad comúnmente llamada “Neises intrusivos” (Feininger et al, 1972; González,

1976, 1980, 2001; Restrepo y Toussaint, 1975), nombrada con el fin de referirse a rocas

de composición granitoide y estructura néisica, que intruyen a las rocas metamórficas del

flanco este de la Cordillera Central. Aunque en algunos cuerpos se ha perdido la textura


original, en la mayoría de las evidencias a nivel de afloramiento de origen ígneo son

notables; en las intrusiones en las rocas metamórficas y en especial en los esquistos

sericíticos, es posible observar plegamientos (Gonzalez, 2001). Las edades del ortoneis

varían entre 346 y 207 m.a (Maya, 1992).

En la zona del proyecto, el Ortoneis es una de las unidades más abundantes. Constituye

cuerpos alargados de norte-sur hasta de 40 km por 5 y 10 km de ancho, de color gris

claro, con abundante cuarzo y micas blancas perfectamente orientadas y con cantidades

menores de biotita; el tamaño de grano en general es grueso, con porfidoblastos de

feldespato. En el río Anorí, entre los ríos Nechí y Porce, se encuentra en contacto fallado

hacia el oriente con esquistos y cuarcitas y al occidente relacionado en su mayor parte a

neises feldespáticos y alumínicos (Municipio de Anorí, 2008). Los minerales son claros

como cuarzo, plagioclasas, feldespato de potasio y moscovita; salpicados por minerales

negros como biotitas. Se considera en general una roca de buena calidad geotécnica,

dura, con fracturas espaciadas, autosoportante, por lo que no se anticipan problemas de

estabilidad en las obras subterráneas (Minero S.A., 2012), (Ver Figura 4-3).

Figura 4-3: Afloramiento de Ortoneis en la Zona de Captación del Túnel Providencia III

Geología Estructural

A nivel regional, se identifican estructuras como estratificación, foliación, esquistosidad,

lineamientos, diaclasas y fallas. Las fallas mejor definidas en el municipio son las fallas


La Concha y Liberia, corresponden a fallas de rumbo con desplazamiento lateral

izquierdo de varios kilómetros (INGEOMINAS, 1992), las cuales afectan las unidades

metamórficas y que tienen un rumbo predominantemente norte-sur (Municipio de Anorí,

2008).

En el estudio geológico realizado por Mineros S.A en 2012, se tomaron en cuenta 8 fallas

locales con dirección predominante N 18-26° W, de las cuales 6 atraviesan el túnel

perpendicularmente. Se observó que las fallas presentaban una mayor zona de influencia

en las cuarcitas y esquistos que en el ortoneis. Adicionalmente asociadas a sus trazas

presentan silletas, derrumbes y coluviones, control de quebradas y perturbaciones en la

orientación de los planos de foliación. Las fallas y zonas de cizalladuras presentan zonas

de influencia menores de 50m y un comportamiento estructural similar, sus trazas son

aproximadamente paralelas con direcciones entre N15°W y N30°W y buzamiento vertical.

En la Tabla 4-2 se presenta la dirección de cada falla y la abscisa donde atraviesan el

túnel.

Tabla 4-2: Fallas locales en el proyecto Providencia III, definidas por Mineros (2011)

Falla Abscisa del túnel Dirección

Falla sin Nombre _ N 02° E

F1 - Captación _ N 24° W

F2 - Providencia K0+982,343 N 23° W

F3 – Puente Negro K1+484,926 N 18° W

F4- Torre Seis K2+160,372 N 18° W

F6 – Torre 8 K2+729,140 N 20° W

F7 - Estrecho K3+042,847 N 26° W

F5- La Curva K3+239,054 N 24° W

En la Figura 4-4: se presenta el mapa de unidades litológicas y las estructuras

principales que tienen influencia en el área de estudio.


Figura 4-4: Geología de túnel del proyecto hidroeléctrico Providencia III

4.1.2 Geomorfología

El municipio de Anorí se encuentra ubicado regionalmente entre tres grandes unidades.

La primera, el “frente erosivo del Cauca-Nechí” el cual se caracteriza en forma general

por presentar diversos tipos de cañones entre los cuales se presentan algunos

remanentes de superficies de erosión a diferentes alturas. La segunda unidad encontrada

en esta zona, es la superficie de erosión o “Altiplano” de Anorí el cual se caracteriza por

una serie de colinas a un mismo nivel aproximado de 1600 msnm. La tercera gran unidad

es el denominado cañón del río Porce (Municipio de Anorí, 2008).

El túnel del proyecto cruza vertientes planas a convexas, las cuales se extienden a lo

largo del río Anorí, donde predominan las pendientes fuertes (superiores al 40%), con

vegetación abundante, con alturas desde los 190 a 760 m.s.n.m. Las colinas bajas del

norte de Anorí, que comprenden la parte alta de las cuencas de las quebradas El Salto,

Providencia y Puente Negro, posee pendientes que van entre el 0 a 30%, con alturas de

285 a 770 m.s.n.m. Los drenajes de la zona de estudio son subparalelos, presentando

mayor sinuosidad en el Ortoneis.


En la Figura 4-5 se presenta el mapa las unidades geomorfológicas del área del túnel

Providencia III y en la Figura 4-6 se muestran las unidades de vertientes y colinas

presentes en el área de influencia del túnel.

Figura 4-5: Geomorfología túnel Providencia III

Figura 4-6: Unidades de vertientes planas a convexas y colinas bajas del norte de Anorí-

Túnel Providencia III.


4.1.3 Tendencias Estructurales en el Proyecto

El análisis de las tendencias estructurales, se realizó a partir de la revisión de información

secundaria, la cual incluye estructuras principales como fallas regionales y locales y

estructuras secundarias como diaclasas, cizallas, foliaciones y diques. Para el análisis se

emplearon los diagramas estadísticos con base en rosetas de rumbo y diagramas

polares. Con ambas se puede definir las direcciones preferenciales de las estructuras y

con base estas direcciones la relación tectónica entre las familias de fracturas y las fallas

más importantes de la región, y el cálculo de esfuerzos tectónicos (Chica, 1979). Con lo

anterior se pretende establecer el dominio estructural regional y local de la zona.

En el proyecto hidroeléctrico Providencia III, tal y como se mencionó en el numeral 4.1.1,

las fallas cartografiadas exhibieron una dirección predominante N 20-30° W y un

buzamiento vertical. De acuerdo con el informe geológico de Mineros S.A (2012), para

todo el proyecto se presentaron en general, tres familias de discontinuidades, que

incluyen fallas, diaclasas y foliación. La familia de mayor peso estadístico, presenta una

dirección N21°W/90°, que coinciden con las orientaciones del sistema de fallas F1 a F7;

otro grupo corresponde a la actitud N10°E buzando 58°SE, que coincide con la foliación y

diaclasas intrafoliales de esquistos y cuarcitas; y casi ortogonales a los grupos de

fracturas principales aparece el grupo con dirección N81°W, vertical.

El procesamiento estadístico que se muestra a continuación se realizó con el software

Dips de Rocscience. En la Figura 4-7 se presentan el diagrama de polos y las rosetas de

rumbo, de las discontinuidades levantadas en superficie dentro del área del proyecto.

Figura 4-7: Orientación media de las fracturas y diagrama de rosas en el área del proyectohidroeléctrico Providencia III, definidas por Mineros S.A (2012)


De acuerdo con los datos estructurales identificados en los cauces de las quebradas, en

los cortes de la vía existente y en el cauce del río Anorí, en ambas unidades geológicas

(Ortoneis y Esquistos), los sistemas de diaclasas mostraron un comportamiento similar,

asociado generalmente a la actitud de las fallas F1 a F7, N20°W/ Vertical (Mineros S.A,

2012). En la Tabla 4-3 se presenta las direcciones y orientación del fracturamiento

predominante para cada unidad geológica.

Tabla 4-3: Fracturamiento dominante en el área para cada unidad geológica, (modificada de Mineros S.A, 2012)

Unidad No. Rumbo/Buzamiento Peso Estadístico

Ortoneis

1 N63°W/90° 7,5% al 10%

2 N20°E/80°SE >17,5%

3 N10°W/90° 7,5 al 10%

4 N35°W/75°SW 7,5 al 10%

Esquistos y Cuarcitas

1 N3°E/43°SE >12%

2 N25°W/90° 2% al 4%

3 N88°E/90° 2% al 4%

4 N32°E/64°NW 2% al 4%

En la Figura 4-8 y la Figura 4-9 se presenta los diagramas de polos y las rosetas de

dirección obtenidas para los datos estructurales del Ortoneis, levantados en superficie

(diaclasas y foliaciones). En la Figura 4-10 y la Figura 4-11 se presenta la información

para los esquistos y cuarcitas.

Figura 4-8: Diagramas de orientación media y rosetas de dirección de las diaclasas, en el Ortogneis del proyecto Providencia III, definidas por Mineros S.A (2012)


Figura 4-9: Diagramas de orientación media y rosetas de dirección de las foliaciones, en el Ortogneis del proyecto Providencia III, definidas por Mineros S.A (2012)

Figura 4-10: Diagramas de orientación media y rosetas de dirección de las diaclasas, en los Esquistos y Cuarcitas del proyecto Providencia III, definidas por Mineros S.A (2012)

Figura 4-11: Diagramas de orientación media y rosetas de dirección de las foliaciones, en los Esquistos y Cuarcitas del proyecto Providencia III, definidas por Mineros S.A (2012)

En el levantamiento estructural en superficie para las zonas del túnel, se realizaron las

siguientes anotaciones (Mineros S.A, 2012):


El primer kilómetro de túnel, comprende una roca granitoide de estructura bandeada

a masiva, de foliación no muy notoria, con alta cohesión entre los planos de foliación

y en general moderado grado fracturamiento. En general, las fracturas espaciadas,

cerradas y cortas. Las diaclasas más frecuentes se presentaron paralelas a la

foliación N25°E con buzamiento 65°SE.

La ventana No.2 y el túnel de conducción entre las fallas F2 Providencia y F5 La

Curva, corresponden a cuarcitas silíceas con intercalaciones de esquistos Sericíticos,

que son rocas metamórficas bandeadas, en capas heredadas de los sedimentos

originales. El fracturamiento principal es paralelo a los planos de foliación, que en

general es muy constante y sólo varía en las vecindades de las fallas. Este sector

comprende un macizo rocoso fracturado, con fracturas espaciadas entre 10 y 30cm,

las más continuas son paralelas a la foliación, las secundarias son cortas. Su

dirección principal es N5° a N20°E con buzamientos de 45° a 70° SE.

El último tramo del túnel de conducción, que va desde la falla F5 La Curva hasta la

casa de máquinas, la caverna para la casa de máquinas y los túneles de acceso y

descarga, corresponde a cuarcitas silíceas y esquistos Sericíticos, con planos de

foliación de menor inclinación, que los anteriormente descritos y presenta un menor

grado de tratamiento, con fracturas más espaciadas y sin la presencia de fallas. La

orientación de la foliación y del fracturamiento principal es: dirección N5° a 25°E,

buzamiento 30° a 50° SE, con fracturas secundarias ortogonales.

Adicionalmente, con el fin de identificar los rasgos geomorfológicos predominantemente

marcados y analizar las tendencias estructurales, se trazaron los lineamientos

fotogeológicos en la zona de estudio del túnel, partiendo del modelo de elevación digital

de resolución de 30 x 30 m de la misión S.R.T.M de la NASA. En la Figura 4-12 se puede

apreciar los lineamientos del sitio, para los cuales dio como resultado dos direcciones

predominantes con rumbo N 0-10°W, que pueden ser asociados a la actitud de las

foliaciones en el proyecto, y rumbo N50-60°W, que resulta correlacionable con la

dirección preferencial de los sistemas de diaclasas en los esquistos y subparalelas a las

de los Ortoneis.


Figura 4-12: Lineamientos fotogeológicos en el túnel Providencia III

De forma similar, se realizó el análisis de las direcciones de los drenajes cartografiados

por Mineros S.A (2011), ya que los cauces y lineamientos de las corrientes de agua están

por lo general controlados por las estructuras geológicas presentes como fallas y

fracturas, por lo cual son un indicativo del comportamiento regional y local de la tectónica

(Osorio, 2015). Para el caso de estudio, se presentaron direcciones predominantes al

oeste, con rumbos marcados entre N 30-70° W que coinciden con la dirección

preferencial de los sistemas de diaclasas en ambas unidades (Figura 4-13).

Figura 4-13: Direcciones preferenciales de los drenajes en la zona de estudio del túnel Providencia III


4.1.4 Caracterización de las Tendencias Estructurales en el Túnel

Para la caracterización geológica estructural del túnel de conducción y de descarga

Providencia III, se realizó el análisis de la orientación y dirección de las discontinuidades.

Se comparó con el levantamiento de datos estructurales en superficie, la dirección de los

lineamientos fotogeológicos, los rumbos de los drenajes y demás información secundaria,

encaminado a identificar el patrón de fracturamiento en el túnel; posteriormente se

analizaron los indicadores geológicos y geotécnicos que podrían definir las tendencias

estructurales de las familias hidráulicamente conductivas.

A continuación se describen los resultados del procesamiento de datos del túnel y el

análisis de la información.

Generalidades

La empresa Pi épsilon suministró el mapeo de los túneles de conducción y de descarga,

realizado por celdas cada 10 metros. Se cuenta con información de las características de

las discontinuidades a detalle y las clasificaciones geomecánicas de Bieniawski e Índice

Q de Barton. Los registros de influjos se encontraban clasificados por goteo lento, goteo

moderado y chorros.

En total, se contó con un registro de 2224 datos en el túnel de conducción, de los cuales

1706 pertenecen a diaclasas, 93 foliaciones, 28 diques y 407 a cizallas. El túnel de

descarga contó con un total de 169 datos, de los cuales 133 son diaclasas, 23 son

foliaciones y 13 son cizallas. En la Figura 4-14 se presenta la distribución polar de las

discontinuidades evidenciadas en los túneles de conducción y descarga.

En general se presentaron 3 familias de discontinuidades, con dirección predominante al

este, con rumbos marcados de N(0-20)°E y N(60-70)°E, que coinciden con las

direcciones de las foliaciones en ambas unidades y son ortogonales a los sistemas de

diaclasas y fallas locales. En la Figura 4-15 se presentan los diagramas de frecuencia

estadística de las discontinuidades en todo el túnel.


Figura 4-14: Diagrama polar de los datos estructurales obtenidos en el túnel de conducción y de descarga del proyecto hidroeléctrico Providencia III

Figura 4-15: Diagrama de polos de frecuencia estadística y rosetas de rumbo de las discontinuidades en los túneles de conducción y descarga de Providencia III.

Por tipo de roca, en la unidad de Ortoneis se registraron un total de 820 datos y 1573

datos en la unidad de esquistos y cuarcitas. En los diagramas de polos y las rosetas de

rumbo de los Ortoneis que se muestran en la Figura 4-16 se reconoce una dirección

principal N(0-20)°E y un buzamiento principal promedio de 61° al SE, precedida en

importancia por una dirección N(70-80)°E, buzando 65° al NW. La dirección con mayor

frecuencia estadística, es correlacionable con las direcciones de las foliaciones,

levantadas en superficie, para el primer kilómetro del túnel (N25°E/65°SE)

La orientación de las discontinuidades de los esquistos, presentada en la Figura 4-17,

muestra un predominio de direcciones al este, con un rumbo principal de N(55-

65)°E/63°SE y N(0-20)°E/55°NW y precedido por la dirección N(80-90)°W/67°SE. Dichas

direcciones se presentan subparalelas a las foliaciones levantadas en superficie para

esta unidad y ortogonales al sistema de fallas local.


Figura 4-16: Diagrama de polos de frecuencia estadística y rosetas de los rumbo para la unidad de Ortoneis – Túnel Providencia III, (Mineros S.A, 2011).

Figura 4-17: Diagrama de polos de frecuencia estadística y rosetas de lo rumbo para la unidad de Esquistos – Túnel Providencia III.

Características de la conductividad hidráulica de las discontinuidades en el túnel

De acuerdo con el levantamiento estructural, realizado en los túneles de descarga y

conducción del proyecto hidroeléctrico Providencia III, se presentaron un total de 923

discontinuidades con filtraciones, lo que representa un 38.5% de los datos registrados

(Ver Tabla 4-4). Cabe mencionar que en las zonas principales de falla, tales como el

contacto entre la unidad de ortoneis y esquistos cuarzo-sericíticos, no se pudo realizar el

registro de datos de discontinuidades ya que estas zonas fueron cubiertas con concreto

lanzado inmediatamente se excavaron, debido a su inestabilidad y flujo de agua.

Tabla 4-4: Número de datos según el tipo de filtración en el túnel Providencia III.

Tipo de Registro Datos Porcentaje de datos

Sin filtración 1470 61%

Goteo lento 549 23%

Goteo Moderado 313 13%

Chorros 61 3%


De los registros obtenidos, se pudo evidenciar que el 84% de las cizallas en el Ortoneis

(92 datos), presentan flujo de agua y para los esquistos el 52% de las cizallas (161 datos)

fue representativo para los influjos (Ver Tabla 4-5). Teniendo en cuenta la longitud de la

unidad litológica en el túnel, que comprende cerca de 860 m de Ortoneis y 2940 m de

esquisto, las discontinuidades se presentaron cada 1.05 m y 1.87 m respectivamente.

Tabla 4-5: Número de datos mapeados en los túneles de conducción y descarga del proyecto Providencia III

Unidad Geológica Estructura Total de datos (%) Discontinuidades con

flujo

Ortoneis

Diaclasa 708 31

Cizalla 110 84

Foliación 0 0

Diques 2 50

Esquisto

Diaclasa 1121 36

Cizalla 310 52

Foliación 116 36

Diques 26 15

En la Figura 4-18 se presenta los diagramas de polos de frecuencia estadistica para cada

tipo de flujo registrado en el túnel (sin infiltración, goteo lento, goteo moderado y chorros),

junto con las rosetas con la dirección preferencial de rumbo, registrados en toda la

longitud del túnel.

Figura 4-18: Diagramas de polos de frecuencia estadistica y rosetas de rumbo para cada tipo de flujo en el túnel Providencia III

Sin

Infiltra

cio

nes


4.1.5 Análisis de Resultados y Validación de Hipótesis

A continuación se muestran los resultados obtenidos tras analizar los aspectos

geomecanicos y geologico estructurales para determinar la validez de las hipótesis

planteadas por Holmøy (2008), las cuales fueron enunciadas en el capitulo 1.2.5, y que

corresponde a la evaluación del significado de los parámetros geológicos en la prediccion

de influjos.

Partiendo inicialmente de que los medios fracturados poseen propiedades que pueden

medirse en superficie y asemejarse con su comportamiento en profundidad (Signhal &

Gupta, 2010), Mineros S.A determinó el peso hidráulico de las discontinuidades dentro

Go

teo L

en

to

Go

teo M

ode

rad

o

Ch

orr

os


del túnel, mediante el análisis de las variables que controlan el flujo como la abertura, la

rugosidad de las paredes de la fractura, la continuidad de las mismas, la conexión y la

densidad de fracturamiento (Gómez, 2000; Scesi & Gattioni, 2009 en Flórez, Ramírez, &

Monsalve, 2010). Cabe mencionar que en la metodología aplicada solo se eligieron las

discontinuidades con flujo. En la Tabla 4-6, se presentan las familias de discontinuidades

obtenidas para cada unidad geológica. En la Figura 4-19 (Ortoneis) y la Figura 4-20

(Esquistos y Cuarcitas), se presenta el estereograma de peso hidráulico obtenido.

Tabla 4-6: Familias de discontinuidades con mayor peso hidráulico, encontradas para las unidades de Ortoneis y de Esquistos y Cuarcitas del túnel de Providencia III.

Unidad Metodologia Chica (1979)

Ortoneis

N(0-10)°E/58°E

N(10-30)°E/64°NW

N(60-70)°W/75°SW

Esquistos y Cuarcitas

N(0-10)°W/65°E

N(10-20)°E/40°SE

N(50-60)°E/66°NW

Figura 4-19: Diagrama de peso hidráulico para la unidad de Ortoneis, en el túnel Providencia III

.

Figura 4-20: Diagrama de peso hidráulico para la unidad de Esquistos y Cuarcitas, en el túnel Providencia III


Relación de influjos respecto al Índice de Calidad del Macizo Rocoso

De acuerdo con las hipótesis planteadas por Holmøy, (2008), (Vease capitulo 2.1), la

fuga de agua es menor en macizos rocosos cuando los valores de índice Q de Barton

son inferiores a 0,1, que en macizos cuyos valores de Q se encuentran entre 0,1 y 10. De

acuerdo con los registros del túnel, el indice Q presentó una variación entre 0,06 y 40,

correspondiente a rocas extremadamente malas y buenas, respectivamente. Las

discontinuidades sin infiltraciónes se presentaron con valores de Q entre 0,06 a 40, el

goteo lento entre 0,1 y 40, goteo moderado entre 0,08 y 28 y los chorros entre 0,2 y 16,7.

Tal y como se muestra en la Tabla 4-7, los datos obtenidos con valores de indice Q

superiores a 10, presentaron influjos un 25,11% de los datos, los Q entre 0,1 y 10 fueron

representativos para el 44,03% de las discontinuidades y los Q inferiores a 0,1 fueron un

41.66%.

Tabla 4-7: Porcentaje de datos según el indice Q de Barton de acuerdo con el tipo de infiltración

Indice Q de Barto

%Datos sin Infiltraciones

%Datos con flujo lento

%Datos con flujo moderado

%Datos con chorros

Total Datos

0,1 Q 58,33 33,33 8,33 0 12

0,1< Q 10 55,97 24,35 16,19 3,49 1692

Q>10 74,89 19,30 5,52 0,29 689

Los datos de la tabla anterior, se pueden identificar con mayor claridad en la Figura 4-21.

La distribución del tipo de infiltración para varios rangos de valores de Q, hace evidente

que las mayores magnitudes de influjos se presentan en el rango de Q comprendido

entre los valores de 0,1 y 10, y un mayor porcentaje de discontinuidades sin infiltraciones

es mas alto para los valores de Q superiores a 10. Lo anterior da validez a la primera

hipoteis planteada por Holmoy, sin embargo, la diferencia entre dichos valores, no es tan

representativa y tal y como se puede observar en la Figura 4-22, el analisis estadistico de

Q versus la cantidad de datos según el tipo de infiltración mostró que no existe para éste

túnel una correlacion clara entre estas dos variables.


Figura 4-21: Diagrama de barras de los registros de Infiltración con base en el Indice Q, en los túneles de conducción y descarga de Providencia III

Figura 4-22: Grafico de Indice Q de Barton Vs Cantidad de Datos, en el túnel Providencia III

Con base en el análisis de la orientación de las discontinuidades para cada rango del

indice Q de bartón, se encontró que el mayor ajuste con las fracturas hidráulicamente

conductivas, se presenta para el rango de Q entre 0,1 y 10. De igual forma, los valores

de Q superiores a 10, tambien presentaron relación con el diagrama de peso hidráulico,

pero para éstas el porcentaje de datos con influjos fue relativamente menor. En la Figura


4-23 se muestran los resultados de los diagramas de frecuencia estadistica para cada

rango de Q, a partir de los cuales se realizó el analisis.

Figura 4-23: Diagramas de polos de frecuencia estadistica y rosetas de rumbo para varios rangos del indice Q de Barton, en el túnel Providencia III

Relación de influjos respecto a la orientación con las fallas principales

La segunda hipótesis de Holmøy (2008), (Vease capitulo 2.1), sugiere que las diaclasas

conductivas forman un ángulo entre 45° 15° con las fallas principales cercanas. Para

determinar la validez de esta hipótesis, se analizó las direcciones preferenciales de las

discontinuidades con filtraciones, mostradas anteriormente en los diagramas de peso

hidráulico para cada unidad geológica, y se comparó con las áreas sombreadas que se

Índic

e 0

.1<

Q<

10

Índic

e Q

<0.1

Ín

dic

e Q

>1

0


muestran a continuación en la Figura 4-24 y que corresponden a un ángulo entre 45°

15° de las fallas principales y los lineamientos fotogeológicos.

Figura 4-24: Área correspondiente a 45° 15, a partir de la dirección sistema de fallas locales y los lineamientos fotogeológicos, en el túnel de Providencia III.

De los resultados obtenidos en este análisis se observa, que tanto las discontinuidades

que presentaron infiltraciones como las que no, pueden ser ubicadas en las zonas

sombreadas. Sin embargo puede resaltarse que las direcciones principales obtenidas en

los diagramas de pesos hidráulicos para ambas unidades geológicas son subparalelas

( ) a las fallas principales y a la dirección de los lineamientos geológicos de mayor

frecuencia.

Relación de influjos respecto el esfuerzo principal mayor

Empleando la metodología de Chica (1979), para la determinación de los esfuerzos a

partir de los diagramas polares de frecuencia estadística, se obtuvo una dirección

preferencial del esfuerzo principal mayor para la unidad de ortoneis de N9°W buzando

31° (Figura 4-25) y de N15°E buzando 79° para la unidad de esquistos y cuarcitas

(Figura 4-26), a partir de las discontinuidades levantadas en superficie para cada unidad,

y que mostraron una mayor concentración estadística. Según la hipótesis planteada por

Holmøy (2008), (Vease capitulo 2.1), las discontinuidades de las fracturas

hidráulicamente conductivas son sub-paralelas al esfuerzo principal mayor. Dicha

hipótesis es válida para ambas unidades, que se presentan con una familia de

discontinuidades N(0-20)°E, subparalelas a σ1.


Figura 4-25: Diagrama polar de esfuerzos y su representación tridimensional, para el ortoneis en los túneles de conducción y descarga de Providencia III

Figura 4-26: Diagrama polar de esfuerzos y su representación tridimensional, para los esquistos y cuarcitas en los túneles de conducción y descarga de Providencia III

Relación de influjos respecto al espesor de la cobertura de roca en el túnel

Muchos investigadores (por ejemplo, Lee y Farmer, 1993; Singhal y Gupta, 1999)

señalaron que la permeabilidad del macizo rocoso puede disminuir de manera

sistemática con la profundidad, debido a que la abertura de la fractura y separación de la

fractura se reducen debido al efecto de las tensiones geostáticas (Hsu, Lo, Chi, & Ku,

1996). Para validar esta teoría, se anotó para cada tramo del túnel un valor

representativo de la cobertura de roca y se analizó con respecto a los datos de

infiltración.

La cobertura de roca en el túnel o sobretecho, oscila entre bajo a moderado, varíando

entre los 10 a 370 m. Para el Ortoneis, los valores fluctuan entre 10 y 130 m y para


cuarcitas y esquistos entre 10 y 370 m. En la Figura 4-27se muestra el diagrama de

barras para varios rangos de cobertura de roca, en un intervalo de 50 m, según los

resultados de las discontinuidades con filtraciones al interior del túnel, donde se

evidenció que existe un mayor numero de datos sin filtraciones a medida que la cobertura

aumenta. Tal y como se puede observar en la Figura 4-28 se presentó una correlación

aceptable entre las discontinuidades sin filtraciones y la cobertura de roca, pero una

correlación mas baja para los datos con flujo.

Figura 4-27: Gráfica de registros de Infiltración de acuerdo con la cobertura de roca, en los túneles de conducción y descarga de Providencia III

Figura 4-28: Grafico de porcentaje de fracturamiento de de acuerdo con la cobertura de roca, en los túneles de conducción y descarga de Providencia III


Para la zona de túnel donde se encuentra el maximo sobretecho, correspondiente al

tramo de abscisas k2+400 y k2+600, aparecieron filtraciones de bajas magnitudes y

goteo moderado ocasionalmente, asociado principalmente a las cizallas, que

presentaban relleno de material de falla y roca de fina a poco fracturada. En el análisis de

este tramo, se determinó que las discontinuidades con flujo presentaron direcciones

paralela al sistema de fallas local y buzamientos superiores a 50°, que probablemente

favorecieron las condiciones de flujo al interceptar la fuente de agua superficial cercana a

la zona. En la Figura 4-29 se muestra el diagrama de peso hidráulico de este tramo y las

direcciones preferenciales de las discontinuidades en el mapa (Azul: Discontinuidades

con filtración; Gris: Discontinuidades sin filtración).

Figura 4-29: Dirección preferencial de las fracturas hidráulicamente conductivas en el tramo de máximo sobretecho en el túnel Providencia III

Los menores sobretechos en el túnel no presentaron datos de discontinuidades debido a

que por su inestabilidad se debió revestir en concreto dichos tramos.

Relación de influjos respecto a suelos permeables o cuerpos de agua superficiales

Las discontinuidades en un túnel, también pueden verse afectadas si interceptan cuerpos

de agua en la superficie. Holmøy (2008), (Vease capitulo 2.1), plantea que en un gran

espesor de suelo permeable o un lago / mar por encima de un túnel se pueden dar alta

fugas de agua. Para probar esta hipótesis en la zona de estudio, se realizó un mapa de

acumulación de flujo, empleando un modelo de elevación digital de la zona y se realizó la

distribución de flujos a lo largo del túnel para identificar con mayor facilidad la influencia


de estas zonas en las discontinuidades más conductivas. Los resultados evidenciados

en este mapa, mostraron que en las Fallas F4, F6, F7 y F5, donde se presenta registro

de discontinuidades, se presentan zonas de acumulación de flujo que coinciden con las

filtraciones de mayores magnitudes en el túnel; adicionalmente las zonas por donde

discurren las quebradas que atraviesan el alineamiento del túnel, también presentaron

filtraciones (Ver Figura 4-30).

Figura 4-30: Zonas de Acumulación de flujo y distribución de influjos en el túnel providencia III

De manera adicional, se trazó el perfil transversal de la sección del túnel para ver su

relación con la geología, el índice Q de Barton y el espesor de cubierta de roca, tal y

como se puede apreciar en la Figura 4-31. Con base a estos dos graficos, se encontró

que la zona de mayores influjos en el ortoneis, correspondiente a los primeros 600 m de

túnel, coincide con una zona de acumulación de flujo alta, que además se ve afectada

por coberturas inferiores a 130 m e índices Q con rangos predominantes entre 1 y 10. En

la unidad de esquistos y cuarcitas, los mayores influjos también coinciden con las áreas

de mayor acumulación de flujo, valores de Q entre 1 y 10 y con las zonas de fallas.

Sin Dato

Figura 4-31: Perfil altimétrico del túnel del proyecto hidroeléctrico Providencia III y la distribución de Q de Barton

Relación de influjos respecto a las zonas de contacto entre rocas

Los principales límites o contactos entre diferentes tipos de roca exhiben altas fugas de

agua (Holmøy, 2008). En este caso de estudio, no fue posible probar la validez de esta

hipótesis ya que el área de contacto entre las dos unidades geológicas, no se registró

información, puesto que la falla F2 presentó una roca triturada y muy fracturada.

Relación de influjos respecto las grandes zonas de debilidad

La hipótesis de Holmøy (2008), en la cual se sugiere que las grandes zonas de debilidad

dan mayor fuga de agua que las zonas de debilidad estrechas, no fue posible probar en

ninguno de los proyectos ya que estas zonas estaban cubiertas, por ser potencialmente

inestables.

Relación de influjos respecto a otras consideraciones

En el análisis estereográfico se encontró que existe una correlación entre la orientación

del túnel y las discontinuidades hidráulicamente conductivas. Tal y como se puede notar

en las abscisas k1+200 a k1+325, el patrón de fracturamiento en este tramo coincide con

la dirección del túnel (ver Figura 4-32).

Figura 4-32 Análisis de discontinuidades paralelas al eje del túnel de Providencia III


4.2 Túnel del Proyecto Hidroeléctrico Carlos Lleras Restrepo

La Central hidroeléctrica Carlos Lleras se encuentra ubicada en el flanco oriental de la

Cordillera Central entre los municipios de Barbosa y Santo Domingo, entre la latitud

6°28’42.00” y 6°31’13.36” norte y la longitud 75°15’3.66” y 75°16’36.98” oeste. Su área de

influencia se sitúa en la parte baja de la cuenca hidrográfica del río Medellín, afluente del

río Porce, el cual a su vez es afluente del río Nechi y éste del río Cauca. La región posee

una temperatura anual promedio de 19°C y las lluvias en el año alcanzan un promedio de

3121 mm (CORANTIOQUIA, 2008). El uso de suelo predominante son los territorios

agrícolas de mosaicos de cultivos de pasto y espacios naturales.

El proyecto consta de una obra de captación en el río Medellín, obras de derivación, túnel

de conducción, una chimenea de equilibrio o almenara, y casa de máquinas. El túnel de

conducción comienza a una altura de 1213.87 m.s.n.m, descendiendo con una pendiente

del 1,5% a 1040 metros, donde se presenta el empalme con la primera ventana de

construcción; a partir de allí continua descendiendo con una pendiente del 2.4% hasta la

abscisa K5+660 en la cota 1084.15, donde es el empalme con la segunda ventana de

construcción. El túnel continua 313.41 m con una pendiente de cero hasta casa de

máquinas donde descarga nuevamente al Río Medellín, completando un total de

5955.54m construidos.

Para esta investigación se emplearon los registros de mapeo estructural del túnel de

conducción. En la Figura 4-33 se presenta la ubicación general del túnel.


Figura 4-33: Localización general del túnel de conducción de la Central Hidroeléctrica Carlos Lleras Restrepo

4.2.1 Geología

A nivel regional, afloran esencialmente rocas ígneas del Batolito Antioqueño, las cuales

en algunos sectores están altamente fracturadas por la dinámica estructural en la zona,

además existen extensos depósitos recientes concentrados en la parte baja del cañón

del río Porce (CORNARE, 2012).

En el municipio de Barbosa, predomina también la litología ígnea del Batolito Antioqueño.

En el área urbana y periurbana presenta una litología representada por rocas

metamórficas (Anfibolitas, esquistos, y gneises) del complejo polimetamorfico de la

cordillera central, rocas ígneas del Batolito Antioqueño (granodiorita y tonalita) y

depósitos sedimentarios del cuaternario conformado por la llanura aluvial del río Medellín;

depósitos torrenciales formados por las quebradas la López, Dos quebradas y Santa

Rosa, coluviones ubicados en la margen izquierda del río Medellín, organales y terrazas


del mismo río. El resto de la zona está formada por suelos derivados de estas rocas

(PBOT Barbosa, 1999)

La zona de estudio del proyecto hidroeléctrico Carlos Lleras Restrepo comprende

depósitos aluviales, depósitos coluviales y rocas del Batolito Antioqueño. A continuación

se describen cada una de las unidades litológicas.

Unidades litológicas

Batolito Antioqueño (Kqd): Esta unidad litológica abarca la totalidad del túnel. Se

constituye como uno de los cuerpos plutónicos de mayor extensión en la cordillera

Central de Colombia y se caracteriza por su homogeneidad litológica y forma trapezoidal,

con su mayor dirección NW-SE (Londoño, 1998). Dentro de la zona de estudio la roca

predominante tiene composición que varía entre cuarzodiorita y granodiorita, de grano

medio a grueso, constituida por plagioclasas, cuarzo, feldespato de potasio, biotita y

hornblenda. En el nivel superior se desarrollan suelos derivados de la meteorización de la

misma roca (Hidralpor S.A.S, 2013).

Por localizarse en una zona tropical el batolito es una roca altamente meteorizada, los

suelos producto de la meteorización de la roca del batolito son profundos, desarrollo

favorecido por las grietas. La capa superficial de roca posee porosidad baja y una alta

permeabilidad por la porosidad secundaria, lo cual permite el flujo subsuperficial de

aguas meteóricas, arrastren consigo partículas que al separarse de la masa, dejan

espacios vacíos formando cavidades, que al alcanzar la superficie, forman estructuras

conocidas como seudokarst (Londoño, 1998).

De acuerdo con el SGC (2014), luego del emplazamiento y enfriamiento del Batolito

Antioqueño, se dio como resultado la confluencia de varias estructuras de falla formadas

bajo condiciones frágiles y en niveles de deformación dúctil, con tres direcciones de

fallamiento predominantes N-S, N45ºE y N45ºW.

Flujos de Escombros Coluviones (Qfes): Esta unidad se presenta en márgenes del río

Medellín, el cual ha favorecido los procesos de socavación lateral de las vertientes. Se

encuentra constituida por flujos de escombros y coluviones, que han descendido de cotas

superiores durante épocas invernales. Se encuentran conformados por acumulaciones


de fragmentos angulares, en un régimen caótico, englobados en suelos areno limosos

(Hidralpor S.A.S, 2013).

Depósitos Aluviales Terrazas (Qal): La unidad se encuentra principalmente asociada a

las partes medias y bajas de las vertientes, y a los principales afluentes del Río Medellín,

como las quebradas Aguas Claras y Aguas Frías. Los Depósitos Aluviales generados por

el río Medellín y sus afluentes varían en litología, tamaño y espesor; se encuentran en la

forma de depósitos de barras lateras asociadas a meandros, con forma alargada irregular

(INGEOMINAS, 2011).

La carga aluvial arrastrada por las corrientes en forma de fragmentos redondeados,

heterométricos, englobados en una matríz areno limosa. Incluye terrazas y aluviones

recientes depositados en los lechos de las quebradas que en partes forman abanicos

aluviales (Hidralpor S.A.S, 2013).

Geología Estructural

A escala mayor, la roca en el sector hace parte de un bloque tectónico limitado por fallas

de carácter regional, como la Palestina al oriente y Espíritu Santo al occidente (Municipio

de Barbosa, 2000). Presenta fallas con orientación noroeste como las fallas El Guadual,

La Ese y Don Matías que limitan el Batolito Antiqueño de los esquistos, con una

tendencia NW con dirección N40ºW/V (AMVA, 2006) y la falla Don Matías tiene una

dirección principal N26°W (IGEOMINAS, 2011).

El área del proyecto se encuentra bajo influencia del sistema de fallas de Palestina, el

cual presenta rumbo N10° a 20°E. Las fallas principales que conforman este sistema son:

Palestina, Nus, San Diego, Mulato, Jetudo, Cimitarra, Cocorná y Otú (CORNARE, 2012).

En el estudio geológico del proyecto Carlos Lleras Restrepo se evidencian tres fallas

predominantes y una cizalla, que se denominaron la falla Aguas Claras con dirección

N51°E, la falla Santo Domingo con dirección N(75-84)°W, la Falla Botero de N(58-71)°W,

y una falla denominada C4 de dirección N59°W. La Falla Santo Domingo atraviesa el

túnel en la abscisa k1+565.18 y la cizalla C4 en la abscisa k2+593.04.

En la Figura 4-34 se presenta el mapa de unidades litológicas y las estructuras

principales que tienen influencia en el área de estudio.


Figura 4-34: Geología de túnel Carlos Lleras Restrepo

4.2.2 Geomorfología

La geomorfología regional de la zona de estudio abarca unidades de valle y altiplanos.

Este relieve contrastante, define una aptitud de fuerte morfodinámica al terreno, dando

posibilidad a la existencia de profundos cañones ramificados en el denominado frente de

erosión del Magdalena representado en los cañones de los ríos Nare y Nusito, a cañones

lineales de los ríos Nús y Porce y a superficies de erosión (CORNARE, 2011).

En las unidades geomorfológicas definidas por CORANTIOQUIA (2002), se encuentran

que el túnel atraviesa una unidad de vertientes planas, correspondientes al cañón del río

Medellín; esta unidad posee topes agudos a ligeramente convexos y filos bajos,

enmarcados por superficies de depósito y por suelos residuales del Batolito Antioqueño.

Adicionalmente se presenta una unidad de colinas medias (AMVA, 2006). En la Figura

4-35 se presenta el mapa de unidades geomorfológicas que atraviesan el túnel.


Figura 4-35: Geomorfología del Túnel Carlos Lleras Restrepo


Las tendencias estructurales de este túnel, se evaluaron mediante el trazo de los

lineamientos fotogeológicos, los registros de afloramientos rocosos registrados en la

plancha 131, Santa Rosa de Osos de INGEOMINAS (2010) y la dirección de los

drenajes.

Del procesamiento estadístico de los datos en superficie, registrados en la plancha

geológica 131 de INGEOMINAS, se encontró, que la zona de estudio presenta una fuerte

tendencia hacia el oeste, con rumbos que van de N(0-40)°W y buzamientos hacia el

noreste mayores a 60°. Los afloramientos de roca en el área de influencia del túnel, son

diaclasas, cizallas y algunos diques de altos buzamientos (Ver Figura 4-36).


Figura 4-36: Orientación media de las discontinuidades superficiales registradas en la Plancha Geológica 131 de INGEOMINAS (2010)

En el área de estudio del proyecto, los lineamientos fotogeológicos mostraron una

tendencia importante hacia al oeste, con una actitud predominante N(50-60)°W,

correlacionable con la falla Santo Domingo, que cruza la zona de estudio con direcciones

de N(75-84)°W, la falla Botero (N58°-71°W) y la falla C4 ( N59°W). Las orientaciones al

este coinciden con la dirección de la falla Aguas Claras (N51°E). En la Figura 4-37 se

puede observar los lineamientos trazados en el sitio.

Figura 4-37: Lineamientos fotogeológicos en el túnel Carlos Leras Restrepo

El control de las direcciones de drenaje tiene una orientación marcada hacia el oeste, con

una actitud preferencial de N(20-70)°W, paralela a las fallas locales principales (Botero,

Santo Domingo y C4) y los lineamientos fotogeológicos. De la misma forma las

orientaciones al este son paralelas a la falla Aguas Claras. En la Figura 4-38 se presenta


la dirección preferencial de los drenajes, discretizados por tramos rectos, y el diagrama

de rosetas resultado del análisis de los rumbos.

Figura 4-38: Direcciones preferenciales de los drenajes en la zona de estudio del túnel Carlos Lleras Restrepo

4.2.4 Caracterización de las Tendencias Estructurales en el Túnel

A continuación se describen los resultados del procesamiento de datos estructurales en

el túnel del proyecto hidroeléctrico Carlos Lleras Restrepo, el análisis del patrón de

fracturamiento predominante y las familias hidráulicamente conductivas.

Generalidades

El mapeo del túnel de conducción realizado por la empresa Hidralpor S.A.S, se hizo por

celdas cada 10 metros. En estas celdas se identificó la dirección, orientación, tipo de

discontinuidad y la presencia de influjos. Adicionalmente se cuenta con anotaciones

generales por tramos, en los que se describe la calidad de la roca de acuerdo con el

RQD, la geología y la persistencia, el espaciamiento, la rugosidad, las condiciones de

infiltraciones, el relleno y espesor de las discontinuidades.

El túnel atraviesa en toda su longitud una roca del tipo cuarzodiorita, generalmente sana

y competente, de regular a poco meteorizada, que presenta en algunos tramos diques de

gabroide negro. En total, se contó con un registro de 1287 datos en el túnel de

conducción, de los cuales 736 pertenecen a diaclasas, 30 diques y 521 a cizallas. En la


Figura 4-39 se presenta la distribución polar de las discontinuidades evidenciadas en el

túnel de conducción.

Figura 4-39: Diagrama polar de los datos estructurales obtenidos en el túnel de conducción y de descarga del proyecto hidroeléctrico Carlos Lleras Restrepo

Se presentaron dos familia predominantes de discontinuidades, la primera con dirección

N(0-10)°E y un buzamiento promedio entre 80-90° y la segunda con dirección N(50-

60)°W de buzamiento promedio entre 85-90°. Dichas familias resultaron correlacionables

con la dirección principal de las fallas locales, los lineamientos y las tendencias marcadas

de los drenajes. En la Figura 4-40 se presenta el diagrama de polos de frecuencia

estadística de las discontinuidades en todo el túnel y las rosetas de dirección, donde es

posible apreciar las direcciones de mayor concentración.

Figura 4-40: Diagrama de polos de frecuencia estadística y rosetas de rumbo de las discontinuidades en todo el túnel Carlos Lleras Restrepo.

De acuerdo con el tipo de discontinuidad, se pudo evidenciar en el túnel las familias de

diaclasas poseen una direccion principal hacia al oeste, marcadas fuertemente por una


tendencia de N(60-70)°W y una dirección secundaria de N(0-10)°W, para la cual las

cizallas tienen su dirección principal. Los diques intruyen el macizo en una dirección N(0-

30)°W. En la Figura 4-41 se presentan las rosetas de rumbo para cada tipo de

discontinuidad, registrada en el túnel.

Figura 4-41: Rosetas de rumbo de las discontinuidades presentadas al interior del túnel Carlos Lleras Restrepo (a. Diaclasas, b. Cizallas y c. Diques)


A nivel general, para este túnel se presentaron pocas inflitraciones. Con base a los

registros estructurales y geomecanicos levantados en el túnel, se encontró que de los

1287 datos obtenidos, tan solo el 19,8%, presentaron infiltraciones. En la Figura 4-42 se

muestran los porcentajes de datos con flujo en relación al tipo de discontinuidad.

Figura 4-42: Registros de filtraciones según el tipo de discontinuidad, en el túnel Carlos Lleras Restrepo


Es importante mencionar, que no se contó con datos estructurales en la zona de falla, ya

que estas zonas fueron cubiertas inmediatamente después de la voladura para evitar la

caída de bloques y el colapso del túnel, sin embargo en los registros del mapeo

estructural suministrados por Hidralpor S.A.S S.A, para estas áreas se anotó la presencia

de agua.

Con base al análisis estereográfico se identificó una familia de mayor peso hidráulico,

correspondiente a una dirección N(0-10)°E, de un buzamiento promedio de 88° en

ambas direcciones que coincide con la dirección preferencial de las cizallas, que son las

discontinuidades de mayor aporte de flujo en el túnel y que además presentan una

dirección paralela al eje del túnel. De forma similar, las discontinuidades sin filtraciones

presentan una tendencia predomínate N(0-10)°W, precedidas por una dirección N(40-

50)°W. En la Figura 4-43 se presenta los diagramas de polos de frecuencia estadistica y

la roseta de dirección, para las discontinuidades sin afluencia de agua y para las

discontinuidades con influjos.

Figura 4-43: Diagrama de polos de frecuencia estadística y rosetas de rumbo de las discontinuidades clasificadas por el tipo de filtración en el Túnel Carlos Lleras Restrepo.

Sin

Infiltra

cio

ne

s

Co

n I

nfiltra

cio

ne

s



A continuación se presentan los resultados obtenidos tras analizar los aspectos

geomecanicos y geologico estructurales para determinar la validez de las hipótesis

planteadas por Holmøy (2008), acerca de su significado en la prediccion de influjos, en el

tunel del proyecto hidroeléctrico Carlos Lleras Restrepo.


Para este túnel, el indice Q de Barton presentó una variación entre 1.375 y 90 en todo el

túnel, correspondiente a rocas malas y extremadamente buenas, respectivamente. Las

discontinuidades con infiltraciónes oscilaron en un valor de indice Q entre 1.375 y 59.4.

Para este caso, no fue posible validar la hipotesis planteada por Holmøy (2008), debido a

que no presentaron valores de Q inferiores a 0.1, sin embargo se realizó el análisis de

esta variable, de la cual se encontraron mayores porcentajes de influjos respecto a los Q

inferiores a 10, que para los otros datos, tal y como se puede evidenciar en la Figura

4-44.

Figura 4-44: Cantidad de Registros con tipo de infiltración para los Índices Q de Barton obtenidos en el túnel Carlos Lleras Restrepo

En el analisis estadistico de Q versus la cantidad de datos según las discontinuidades

secas y con infiltración, mostró que no existe para éste túnel una correlacion directa entre

estas dos variables (Ver Figura 4-45).


Figura 4-45: Indice Q de Barton Vs Cantidad de Datos según tipo de infiltración


Para el analisis de esta hipótesis se identificaron los sistemas de fallas locales que

atraviezan el túnel como la falla Santo Domingo y la cizalla C4 y la dirección principal de

los lineamientos fotogeologicos trazados para la zona de influencia del túnel, a partir de

los cuales se definió dos áreas sombreadas que conforman ángulos entre 45° ± 15°, tal y

como se indica en la Figura 4-46.

Figura 4-46: Área correspondiente a 45° 15, a partir de la dirección sistema de fallas locales y los lineamientos fotogeológicos, en el túnel Carlos Lleras Restrepo.

Con base a lo anterior, es posible identificar que el patrón de fracturamiento del túnel,

coincide principalmente con la zona donde se da la dirección preferencial de los

lineamientos fotogeológicos y la falla Santo Domingo, la cual cruza el túnel de manera

perpendicular. De la misma forma las discontinuidades hidráulicamente conductivas

coinciden con esta misma área.



El diagrama de esfuerzos para el túnel Carlos Lleras Restrepo, se determinó a partir de

los datos de las discontinuidades registradas en la plancha 131 de INGEOMINAS (2010),

dentro de la zona de influencia del túnel. En la Figura 4-47 se presenta el resultado de

esfuerzos entre las familias de discontinuidades N(0-10)°W/83°NE y N(20-30)°W/63°NE.

Figura 4-47: Diagrama polar de esfuerzos y su representación tridimensional, para el túnel Carlos Lleras Restrepo

Del anterior análsis se obtuvo una dirección preferencial del esfuerzo principal mayor de

N20°W buzando 43° al sur y que es subparalela a las discontinuidades hidráulicamente

conductivas, dando validez a la hipótesis. Sin embargo debe tenerse en cuenta que

fueron poco los datos que se tuvieron en cuenta para el diagrama de polos,

adicionalmente, las discontinuidades sin filtraciones también pudieron ser relacionadas

con la dirección de σ1.

Relación de influjos respecto al espesor de la cobertura de roca en el túnel, suelos permeables o cuerpos de agua superficiales y grandes zonas de debilidad

El sobretecho del túnel oscila entre bajo a moderado, varíando entre los 26 a 165 m. En

la Figura 4-48 se muestra el diagrama de barras para varios rangos de cobertura de roca,

en un intervalo de 50 m. Según los resultados de las discontinuidades con filtraciones al

interior del túnel, se pudo evidenciar que existe un mayor numero de datos sin filtraciones

a medida que la cobertura aumenta, pero que no es una relación perfectamente lineal.

Con base en el mapa de acumulación de flujo para la zona de influencia del túnel,

elaborado a partir del modelo de elevación digital, de tamaño de celda de 12.5 * 12.5


metros, se identificó que las zonas de gran acumulación, coinciden en su mayoría con las

filtraciones en el túnel. Adicionalmente se muestra que en las zonas donde el túnel

atraviesa las fallas principales se presenta afluencia de agua. En la Figura 4-49 se

presenta el mapa de acumulación de flujos y la distribución de las infiltraciones en el

túnel de conducción.

Figura 4-48 Porcentaje de registros obtenidos para varios intervalos de cobertura de roca, según el tipo de flujo, en el túnel Carlos Lleras Restrepo

Figura 4-49: Zonas de Acumulación de flujo y distribución de influjos en el túnel Carlos Lleras Restrepo


Adicionalmente se realizó el perfil altimetrico (Figura 4-50), para mostrar la distribución de

los influjos en el tunel, con el cambio de espesor de la cobertura de roca, la variación del

indice Q de Barton y la ubicación de las principales fuentes de agua superficial, como las

quebradas Aguas Claras, Santo Domingo, La Chucha y Aguas Frias. Tal y como se pudo

evidenciar con esta información, los tramos que coinciden con indices Q superiores a 40,

correspondientes a roca muy buena, poseen mas pocas discontinuidades con

infiltraciónes, relativo al 8%. En las zonas donde se presentaron los cuerpos de agua

superficial, hubo mayor concentración de discontinuidades con influjos, al igual que para

las zonas de falla.

El tramo de las abscisas k3+100 y k3+200, donde se presentó el máximo espesor de

sobretecho, correspondiente a 208 m aproximandamente, se encontró que la orientacion

de las discontinuidades para esta zona, son subparalelas a la dirección del túnel en este

tramo y buzan verticalmente (Ver Figura 4-51).

Figura 4-50: Dirección preferencial de las fracturas hidráulicamente conductivas en el tramo de máximo sobretecho en el túnel Carlos Lleras Restrepo


En este caso de estudio, no fue posible probar la validez de esta hipótesis ya que solo se

cuenta con una unidad geológica, por lo cual no existen zonas de contacto entre

diferentes tipos de rocas.

Figura 4-51: Perfil altimétrico del túnel de conducción Carlos Lleras Restrepo y la distribución de la infiltración


En este caso de estudio, no fue posible probar la validez de esta hipótesis ya que solo se

cuenta con una unidad geológica, por lo cual no existen zonas de contacto entre

diferentes tipos de rocas.

4.3 Galerías de Drenaje del Proyecto Hidroeléctrico Porce III

Este proyecto se encuentra ubicado en el norte de la Cordillera Central entre los

municipios de Amalfi, Anorí, Gómez Plata y Guadalupe. Hace parte de la cuenca

hidrográfica del río Porce, que se localiza en la parte central del departamento de

Antioquia, entre los 6° y 7° de latitud norte y los 75° y 65° de longitud oeste, y entre los

2800 msnm y los 50 msnm. (EPM, 2011). La región posee una temperatura anual

promedio de 25°C y las lluvias en el año alcanzan un promedio de 3128 mm. La

cobertura vegetal de la zona corresponde a mosaico de pastos con espacios naturales y

tierras desnudas y degradadas (CORANTIOQUIA, 2008).

La Central Hidroeléctrica Porce III consta de un vertedero localizado en la margen

izquierda del río Porce, para el cual fue necesaria la construcción de galerías de drenaje,

con la finalidad de garantizar la estabilidad de los taludes, principalmente por la presencia

de cuñas de roca potencialmente inestables cuyo factor de seguridad disminuía

drásticamente con la presencia de agua dentro del macizo (EPM, 2011). Para esta

investigación se contó con el registro litológico de las perforaciones y los levantamientos

geológico-estructurales de 3 de las 12 galerías de drenaje construidas. En la Figura 4-52

se presenta el mapa de ubicación general de las galerías de drenaje en estudio.


Figura 4-52: Localización de las galerías de drenaje del proyecto hidroeléctrico Porce III

4.3.1 Marco Geológico

A nivel regional se presentan rocas de origen ígneo como el Batolito Antioqueño, la

unidad volcánica de San Pablo y el Stock de Amalfi o Adamelitas (INGEOMINAS, 2001),

rocas metamórficas como Esquistos Cuarzo-Sericíticos y Cuacitas, y depósitos

sedimentarios del cuaternario como los depósitos aluviales del río Porce y coluviones

formados en las partes altas de las laderas.

La zona de estudio del proyecto Porce III, se encuentra emplazado en la unidad de rocas

metamórficas constituidas por una secuencia de esquistos cuarzo sericíticos e

intercalaciones de esquisto grafitoso, perteneciente al complejo Cajamarca (Maya &

González, 1995), adicionalmente abarca pequeños depósitos de coluviones y suelos

residuales (EPM, 2011).


Unidades litológicas

Esquistos Cuarzo-Sericíticos y Cuarcitas (Pes): Las rocas predominantes de esta

unidad, presentan estructura esquistosa, finamente laminada en capas, intensamente

replegadas con venas y lentes de cuarzo lechoso. El rumbo de la esquistosidad varía

entre N10°E y N 20°W con buzamiento marcado al este (INGEOMINAS, 2001). Esta

unidad se encuentran supra-yaciendo una secuencia de esquistos cuarzosos,

conformando dos unidades litológicas separadas por una zona de cizalla, la cual es la

parte basal de un conjunto de discontinuidades denominado sistema de cizallas de El

Roble. Las dos unidades definidas son esquistos cuarzo grafitosos (Pesgr) y los

esquistos cuarzosos (Pesqz) (EPM, 2011).

Los Pesgr, se encuentran constituidos por niveles de esquisto cuarzo micáceo con

abundantes intercalaciones de esquisto grafitoso con apariencia laminada. En las

galerías de estudio, se presentan tres niveles de meteorización según la clasificación del

perfil de meteorización de Deere and Patton (1971); el nivel IIA corresponde a roca

altamente alterada, de color amarillo rojizo a ocre, de dureza baja a media, localizada

principalmente en las partes altas (Figura 4-53); en el nivel IIB, el macizo está

moderadamente alterado, de color gris medio a oscuro con manchas de oxidación

amarillas y rojas entre las discontinuidades, de dureza media a alta (Figura 4-54); el nivel

III comprende roca en estado fresco de color gris medio a oscuro, con esporádicas

discontinuidades manchadas de óxidos, de dureza alta, localizado en (Figura 4-55). En

general la roca se presenta finamente foliada, de aspecto sedoso y en ocasiones

afectada por zonas de cizalla subparalelas a la foliación, principalmente en los niveles

grafitosos. (EPM, 2011):

Figura 4-53: Esquistos Cuarzo Grafitoso - IIA. (PesgrIIA), Tomado de EPM (2011)

Figura 4-54: Esquistos Cuarzo Grafitoso - IIB. (PesgrIIB), Tomado de EPM (2011)


Figura 4-55 Esquistos Cuarzo Grafitoso - III. (PesgrIII), Tomado de EPM (2011)

Las unidades de Pesqz, están constituidas por intercalaciones de esquisto sericíticos y

esquisto cuarzoso, con textura foliada, dispuesta en paquetes tabulares paralelos, donde

predominan los horizontes de esquisto cuarzoso. En las galerías de estudio, se

presentan tres niveles de meteorización; el nivel IIA corresponde a roca altamente

alterada, de color amarillo ocre a habano, de consistencia media (Figura 4-56); en el nivel

IIB el macizo está moderadamente alterado, de color gris medio a gris verdoso, con

manchas de oxidación amarillas entre las discontinuidades, de dureza alta (Figura 4-57);

en el nivel III la roca se presenta en estado fresco, de color gris claro a medio, con

esporádicas discontinuidades manchadas de óxidos, de dureza alta a muy alta, (0) (EPM,

2011):

Figura 4-56: Esquistos Cuarzosos-IIA (PesqzIIA), Tomado de EPM (2011)

Figura 4-57: Esquistos Cuarzosos-IIB (PesqzIIB), Tomado de EPM (2011)


Figura 4-58: Esquistos Cuarzosos-III (PesqzIII), Tomado de EPM (2011)

Las intrusiones en los esquistos son diques de edad cretácica y composición andesítica,

principalmente de cuarzo feldespáticos hasta de 3.0 m de espesor, que se emplazaron

por entre los principales sistemas de discontinuidades que afectan al macizo rocoso

(EPM, 2011).

Depósitos de Coluvío (Qc): Estos depósitos se localizan dentro de la zona del vertedero

y sus obras anexas; en el caso de investigación, las galerías de drenaje, se presentan en

la parte alta del macizo y posee un espesor variable de 5 a 10 m. Se encuentran

conformados por fragmentos y bloques de esquisto embebidos en una matriz areno-

arcillosa de color pardo amarillento y en sectores rojiza amarillento (EPM, 2011).

Suelos Residuales (Qsr): Son los suelos resultado de la meteorización de las rocas

metamórficas que conforman el macizo rocoso. Están conformados por limo arcilloso

principalmente, de color gris a amarillo y localmente rojizo, con fragmentos de roca

dentro de la matriz del suelo. Localmente se encuentra mezclado con los depósitos de

coluvión (EPM, 2011).

En la Figura 4-59 se ilustran las unidades litológicas del Proyecto Hidroeléctrico Porce III,

en la zona del vertedero y sus obras anexas.


Figura 4-59: Unidades geológicas del proyecto hidroeléctrico Porce III (Tomado de EPM, 2011)

Geología estructural

De acuerdo con el informe final de Diseño y Construcción del Vertedero, EPM (2011), se

lograron identificar varios sistemas de discontinuidades, que influenciaron en mayor o

menor grado las excavaciones para la fundación de las obras del proyecto, teniendo en

cuenta el régimen de esfuerzos reinante en el nor-occidente de los Andes Colombianos y

basado en la foliación regional que varía de N20W/30-50SW a N20-30E/30- 40SE.

Se identificaron en total dos sistemas de foliaciones con textura de esquistos. Los

sistemas de diaclasas encontrados durante la excavación de las obras fueron seis, con

direcciones que van al N12° a 50° E y N0°a 77°W, de buzamientos entre 48 y 80°

principalmente al este. Los sistemas de cizallas fueron cuatro, presentando direcciones

paralelas a la foliación y direcciones cortando los planos de foliación. Se estableció la

presencia de la cizalla El Roble localizada en la margen derecha de la quebrada de este

nombre. Cabe mencionar que durante los estudios para los diseños en el área de la

presa no se encontró presencia de pliegues ni de fallas de gran magnitud.


En la Figura 4-60 se presenta el mapa de unidades geológicas de las galerías de drenaje

que corresponde a depósitos coluviales y de suelos residuales y a esquisto cuarzo

sericíticos, clasificados según su porcentaje de grafitos o cuarzos y nivel de

meteorización.

Figura 4-60: Unidades geológicas en las galerías de drenaje del proyecto hidroeléctrico Porce III, (EPM, 2011)

4.3.2 Marco Geomorfológico

A gran escala, las galerías de drenaje del proyecto hidroeléctrico Porce III, se encuentran

situadas en la unidad geomorfológica de vertientes de baja incisión, que se han generado

por los afluentes del río Porce, favorecidos por la geología de la zona. Las pendientes

para la cuenca de influencia de las galerías predominan las pendientes de ligera a

moderadamente escarpadas que corresponden a rangos entre 25 a 75%. La cobertura

vegetal, es en general baja, predominan los territorios agrícolas y algunos bosques o

áreas seminaturales. En la Figura 4-61 se presenta el mapa de unidades

geomorfológicas que comprenden las galerías de drenaje.


Figura 4-61:Unidades geomorfológicas de las galerías de drenaje del proyecto hidroeléctrico Porce III, (EPM, 2008)


De acuerdo con EPM (2011), las tendencias estructurales presentes en la zona del

vertedero y sus obras adicionales, correspondientes a las galerías de drenaje, evidencian

dos sistemas de foliaciones, seis sistemas de diaclasas y cuatro sistemas de cizallas. La

orientación general y principal de la foliación F1 es N05W/37SW, presentando

variaciones desde N20E/37NW hasta N35W/42SW, correspondientes a replegamientos

de la foliación; El segundo sistema de la foliación F2 está orientado N10E/35SE

correspondiente a plegamientos de poca magnitud. Los sistemas de diaclasas

encontrados durante el proceso de construcción se presentan en la Tabla 4-8.

Tabla 4-8: Sistemas de diaclasas en la zona de estudio, EPM (2011)

Nomenclatura Sistemas de Diaclasas EPM

Rumbo/Buzamiento

S1 N77°W/80°SW

S2a S2b

N20°W/80°NE N00°W/70°-80°NE

S4 N40°W/75°NE

S5 N50°E/72°SE

S6 N12°E/61°SE

S7 N44°E/48°SE


Las cizallas se presentaron subparalelas a la foliación y corresponden a cizallas de

cabalgamiento originadas como respuesta al régimen de esfuerzos regional proveniente

del oeste, que ocasionaron replegamiento de los niveles de esquisto, con la consecuente

alta fracturación de la unidad metamórfica, permitiendo el desarrollo de estructuras

geológicas ortogonales, representadas por discontinuidades con dirección E-W

subverticales durante un proceso compresivo. Posteriormente al proceso compresivo se

inicia un proceso de distensión iniciando el desarrollo del sistema de cizallas conjugadas.

En la Tabla 4-9 se presentan los cuatro sistemas de cizallas con su respectiva dirección y

orientación, EPM (2011).

Tabla 4-9: Sistemas de cizallas en la zona de estudio, EPM (2011)

Nomenclatura Sistemas de Cizallas EPM

Rumbo/Buzamiento Descripción

Czfa

Czfb

N05°W/55°SW N20°E/37°NW – N35°W/42SW

N11°E/75NW

Cizallas con dirección subparalela a la foliación

C2 N20°E/67°SE Cizallas conjugadas. Dirección subparalela a la foliación y buzamiento en sentido contrario

C3 N74°W/79°SW Cizallas ortogonales a la foliación

C4a C4b C4c

N44°E/10°NE N45°W/28°NE N53°E/27°SE

Cizallas subhorizontales

El sistema de cizallas de mayor frecuencia que se presentó en la zona de estudio

corresponde a las cizallas con dirección subparalela a la foliación, denominada como Czf.

El sistema C2 corresponde a las cizallas conjugadas las cuales tienen rumbo subparalelo

al de la foliación pero dirección de buzamiento en sentido contrario. Las cizallas de los

sistemas C3 corresponden a cizallas que cortan ortogonalmente los planos de foliación y

las cizallas C4 corresponden a cizallas subhorizontales.

En la Figura 4-62 se muestran los estereograma obtenidos para de las foliaciones, las

familias de diaclasas y las de cizalla, detalladas en el informe final de diseño y

construcción de la presa del Proyecto Hidroeléctrico Porce III (EPM, 2011).

El análisis de lineamientos fotogeológicos dio como resultado varias direcciones

dominantes al oeste, con actitud marcada de N(10-20)°W, N(40-50)W y N(60-80)W, que

coinciden con la dirección de los sistemas de cizalla Czfa y son subparalelos al sistema

de foliación F1. En la Figura 4-63 se presenta la ubicación geoespacial de los


lineamientos trazados y la roseta de rumbos, que muestra la dirección preferencial de los

lineamientos.

Figura 4-62: Diagrama de polos de frecuencia estadística de las foliaciones (izquierda), diaclasas (medio) y cizallas (derecha) en el proyecto Hidroeléctrico Porce III, (EPM, 2011)

Figura 4-63: Lineamientos fotogeológicos en el área de influencia de las galerías de Drenaje, del proyecto hidroeléctrico Porce III

El control de las direcciones de drenaje tiene una orientación marcada hacia el oeste, con

una actitud preferencial de N(20-40)°W, correlacionable con la dirección del sistema de

cizallas más abundante en el proyecto (Czfa). Las orientaciones al este se presentaron

paralelas al sistema de foliación F2, que coincide también con el sistema de cizallas C2 y

la familia de diaclasas S4. En la Figura 4-64 se presenta la dirección preferencial de los


drenajes analizados por tramos rectos y el diagrama de rosetas resultado del análisis de

los rumbos.

Figura 4-64: Direcciones preferenciales de los drenajes en la zona de estudio de las galerías de drenaje del proyecto hidroeléctrico Porce III

4.3.4 Caracterización de las tendencias estructurales en el túnel

A continuación se describen los resultados del procesamiento de datos estructurales las

galerías de drenajes 3, 6, y 9 del Proyecto Hidroeléctrico Porce III, el análisis del patrón

de fracturamiento predominante y las familias hidráulicamente conductivas.

Generalidades

El mapeo de cada galería realizado por EPM, se hizo por celdas cada 10 metros, para

ellas se identificó la dirección, orientación, tipo de discontinuidad y la presencia de

influjos. Adicionalmente se cuenta con anotaciones generales por tramos, en los que se

describe la calidad de la roca de acuerdo con el RQD, la geología y las condiciones de

infiltraciones de las discontinuidades.

Las siguientes fueron las anotaciones de la geología estructural para cada galería de

drenaje registradas en EPM (2011).


En la Galería 3, la foliación presente en el macizo a lo largo de la galería entre las

abscisas K0-038.04 a K0+123.70, presentó una tendencia general N-S/40W, a N10-

20E/30-40WN, con foliación esporádica N10W/40-60NE, que sugiere la conformación

de pliegues anticlinales y sinclinales apretados. A partir de la abscisa K0+125.75, la

foliación se apreció constante con dirección N-S/40- 45W.

En la Galería 6, el macizo se observó altamente fracturado afectado básicamente por

una discontinuidad subhorizontal, atravesada por varias cizallas de tipo conjugada y

sub-paralela, las cuales se definieron como: Cizalla GD-G6-K0+002.50, con una

dirección N45E/40SE; Cizalla GD-G6-K0+020.10, con una dirección N75E/10-15SE;

Cizalla GD-G6-K0+020.10, con una dirección N45W/50SW; y Cizalla GD-G6-

K0+042.60, orientada N75E/10-15SE.

En la Galería 9, la excavación se apreció con una gran influencia de cizallas que

afectaron el normal desarrollo de las excavaciones.

Tal y como se puede evidenciar en la Figura 4-65, donde se presenta la distribución polar

de las discontinuidades registradas en las galerías de drenaje, la concentración más

importante de foliaciones coinciden con los sistemas de foliaciones encontrados en

superficie, al igual que la concentración de las cizallas, en las cuales se nota mayor

correlación con los sistemas de cizallas Czfa, C2 y C4.

Figura 4-65: Diagrama polar de los datos estructurales obtenidos en las galerías de drenaje 3, 6 y 9 del proyecto hidroeléctrico Porce III

El análisis geoestadístico de las Galerías 3, 6 y 9 dio como resultado una dirección

preferente al oeste, que coincide con el patrón principal de alineamiento definido en


superficie. La Galería 3 tiene una tendencia de rumbo de N(30-90)°W y de N(70-90)°E

(Figura 4-66); la dirección de mayor importancia para la Galería 6 es de N(50-60)°W

(Figura 4-67). La Galería 9 presenta una dirección preferencial N(0-20)°W y varias

tendencias de N(10-60)°W (Figura 4-68).

Figura 4-66: Diagrama de polos de frecuencia estadística y rosetas de rumbo de las discontinuidades en la Galería 3





Con base al análisis estereográfico se identificó para cada galería las familias de mayor

peso hidráulico y se comparó con las discontinuidades secas. Se encontró que dentro de

las familias de discontinuidades más conductivas para la Galería 3 existe una tendencia

marcada de dirección N(30-70)W de buzamiento promedio de 70° al noreste, que se

presenta paralela al sistemas de diaclasas S4; en la Galería 6, las familias de

discontinuidades más conductivas se presentaron en relación con el sistema de cizallas

C4c; en la Galería 9, las discontinuidades con flujo presentaron mayor correlación con el

sistema de foliaciones F1 (N05W/37SW). En las figuras que se muestran a continuación,

se presenta los diagramas de polos de frecuencia estadistica y la roseta de dirección,

para las discontinuidades sin afluencia de agua y para las discontinuidades con influjos

de las Galerías 3 (Figura 4-69), 6 (Figura 4-70) y 9 (Figura 4-71).

Figura 4-69: Diagrama de polos de frecuencia estadística y rosetas de rumbo de las discontinuidades clasificadas por el tipo de filtración en la Galería 3.

Sin

Infiltra

cio

nes

Con I

nfiltra

cio

nes


Figura 4-70Diagrama de polos de frecuencia estadística y rosetas de rumbo de las discontinuidades clasificadas por el tipo de filtración en la Galería 6.

Figura 4-71 Diagrama de polos de frecuencia estadística y rosetas de rumbo de las discontinuidades clasificadas por el tipo de filtración en la Galería 9.

Sin

Infiltra

cio

nes

Sin

Infiltra

cio

nes

Con I

nfiltra

cio

nes



A continuación se presentan los resultados obtenidos tras analizar los aspectos

geomecanicos y geologico estructurales para determinar la validez de las hipótesis para

la prediccion de influjos, mediante los registros de infiltraciones en los túneles de drenaje,

de las Galerías 3, 6 y 9 del Proyecto Hidroeléctrico Porce III.


Con base al analisis cualtitativo de los tramos en cada galería, realizado por INGETEC

S.A para EPM en 2011, se determinó un rango de indice Q, según el tipo de terreno, el

sistema de soporte adoptado, la presencia general de flujo, el numero de

discontinuidades y el RQD. De acuerdo con lo anterior se encontró que se presentan mas

de la mitad de los registros con infiltración en el rango de Q entre 1 y 10, validando de

esta manera la hipótesis de Holmøy (2008), respecto a esta variable. En la Figura 4-72

se puede observar el porcentaje de variacion de los resultados obtenidos para cada

rango de Q.


El analisis de esta hipótesis, se realizó a partir los lienamientos fotogeológicos, ya que las

galerias no son interseptadas por ninguna falla importante. Las direcciones de las

discontinuidades hidráulicamente conductivas para las tres galerias de estudio

coincidieron con el área sombreada que se muestran en la Figura 4-73.

Con I

nfiltra

cio

nes


Figura 4-72: Cantidad de Registros con tipo de infiltración para los Índices Q de Barton obtenidos en las galerías de drenaje 3, 6 y 9 del Proyecto Hidroeléctrico Porce III

Figura 4-73 Área correspondiente a 45° 15, a partir de la dirección sistema de fallas locales y los lineamientos fotogeológicos, en las galerías de drenaje 3, 6 y 9 del proyecto hidroeléctrico Porce III


El diagrama de esfuerzo se realizó a partir de los datos de las familias de las

discontinuidades identificadas en superficie y que fueron anteriormente enunciadas en

las sección 1.3.3. Debido a la dispesividad de los datos en el diagrama de polos, se

analizaron diferentes concentraciones, para evaluar las posibles direccion de los

esfuerzos. En la Figura 4-74 se presenta el resultado de esfuerzos analizado a partir de

las familias de discontinuidades N(70-80)°W/79°SW y N(0-10)°E/64°SE, la Figura 4-75

corresponde a las familias N(10-20)°E/37°NW y N(0-10)°E/64°SE y la Figura 4-76 a las

familias N(70-80)°W/79°SW y N(10-20)°E/37°NW.


Figura 4-74 Diagrama polar de esfuerzos y su representación tridimensional, para el túnel Carlos Lleras Restrepo (Familias N(70-80)°W/79°SW y N(0-10)°E/64°SE)

Figura 4-75 Diagrama polar de esfuerzos y su representación tridimensional, para el túnel Carlos Lleras Restrepo (familias N(10-20)°E/37°NW y N(0-10)°E/64°SE)

Figura 4-76 Diagrama polar de esfuerzos y su representación tridimensional, para el túnel Carlos Lleras Restrepo (Familias N(70-80)°W/79°SW y N(10-20)°E/37°NW)

Tal y como se evidenció en los anteriores análisis, se presentan varias direcciones de

esfuerzos según la concentración de familias que se elija. El esfuerzo principal mayor dio


como resultado diferentes direcciones correspondientes a N45°W, N86°E y N40°E/53°,

de las cuales la más representativa para las discontinuidades hidráulicamente

conductivas en las galerías 9 y 6 fue la dirección N86°E, y para la galería 3, fue la

dirección N45°W. Por tal motivo esta hipótesis no tiene soporte para su evaluación.

El análisis anterior deja en evidencia que para aplicarr este tipo de metodologías debe

contarse con un levantamiento detallado de las estructuras, con la finalidad de que

puedan emplearse las concentraciones más representativas de la zona analizada. Por lo

cual, al realizar este tipo de análisis se debe complementar con otras metodologías,

como instrumentación y ensayos de laboratorio.

Relación de influjos respecto a la cobertura de roca en el túnel, suelos permeables o cuerpos de agua superficiales, zonas de contacto entre rocas y las grandes zonas de debilidad.

Para analizar las últimas tres hipótesis planteadas por Holmøy (2008), se realizó el

esquema del perfil altitudinal de cada galería, de acuerdo con la estratigrafía definida por

INGETEC S.A en el Anexo 2 del Informe Final de Diseño y Construcción del Vertedero,

EPM 2011.

De los resultados de la Galería 3, que presenta una cubierta de roca que oscila entre los

0 y 35 m de espesor, se evidenció que la magnitud del flujo aumentó en la zona de

menor sobretecho, que a su vez presento una cizalla en sentido paralelo al túnel.

Adicionalmente el contacto entre la unidad de esquistos cuarzosos y esquistos cuarzo

grafitosos presentó afluencia de agua. En la Figura 4-77 se presenta el perfil altitudinal de

la Galería 3.

En la Galería 6, los influjos en el túnel fueron de menores magnitudes, y se vieron

favorecidos por encontrarse dentro de una misma unidad litológica. Este túnel, construido

con una pendiente muy baja presentó sobretechos entre los 16 y 21 metros de espesor.

Las filtraciones, correspondientes a goteo lento, fueron localizadas y se presentaron en

las zonas de cizallas. En el tramo cercano al ramal de la quebrada Lapushka, donde se

presenta además un depósitos de suelo residual y coluvios de aproximadamente espesor

4m, se evidenció la presencia de dos cizallas, que atraviesan el túnel y permiten la

afluencia de agua por la discontinuidad, tal y como es posible observar en la Figura 4-78.


Figura 4-77: Perfil altimétrico de la Galería de Drenaje 3 - Porce III y la distribución de la infiltración, (Modificado de EPM, 2011)


En la Galería 9, los sobretechos oscilaron entre los 10 y 57 metros de espesor, sin

embargo las filtraciones de mayor magnitud se asociaron más a las zonas de cizalla, que

se encontraban interconectadas con otras cizallas. En la Figura 4-79 se muestra el perfil

altimétrico para esta galería.



En el análisis de los registros presentados para las tres galerías de estudio se encontró

que las discontinuidades con infiltración disminuyeron a medida que se incrementó el

intervalo de cubierta de roca, evaluado según su longitud representativa en los túneles

(Figura 4-80). Sin embargo tras el anterior análisis se mostró que sin importar el espesor

de la cubierta de roca, si se presentan planos de falla, puede presentarse influjos en la

excavación.

Figura 4-80: Porcentaje de registros obtenidos para varios intervalos de cobertura de roca, según el tipo de flujo en las Galerías de Drenaje 3, 6 y 9 del Proyecto Hidroeléctrico Porce III


5. Metodología para la Construcción de un Modelo Hidrogeológico Conceptual de un Túnel en Roca Fracturada, en la Cordillera Central del Departamento de Antioquia

El propósito de la modelación hidrogeológica, es poder simular el régimen del agua

subterránea en su estado natural, es decir, previo a cualquier intervención,

caracterizando, entre otros aspectos, la capacidad conductiva de agua de los diferentes

materiales, zonas de recarga y descarga, direcciones de flujo, capacidad de

almacenamiento y calidad del agua. Con base en esta caracterización del recurso

subterráneo será posible realizar aproximaciones o interpretaciones acerca de su

interacción con la construcción de una obra subterránea. Para poder obtener dichos

propósitos será necesario integrar el conocimiento de la geología, geomorfología,

hidrología, geotecnia e hidrogeoquímica (Figura 5-1).

Figura 5-1: Componentes de un modelo hidrogeológico conceptual

De acuerdo con Anderson & Woessner (1992), un modelo hidrogeológico se compone de

un modelo conceptual y un modelo numérico; el modelo conceptual se plantea con base

en la definición y caracterización de las unidades hidroestratigráficas, el balance de agua

subterránea y la definición del sistema de flujo; el modelo numérico es el resultado de la

MODELO

HIDROGEOLOGICO

Propuesta Metodológica 117

integración matemática de las condiciones encontradas en el modelo conceptual.

Diferentes técnicas numéricas, como diferencias finitas, elementos finitos o volúmenes

finitos, pueden ser utilizadas en este tipo de simulaciones; su selección depende del

problema a resolver y de la preferencia del usuario o diseñador del modelo.

Para la construcción del modelo es esencial definir un propósito, el cual posteriormente

servirá como base para plantear el método que dará solución al problema. En todo el

procedimiento se evalúa primeramente si un método analítico puede dar respuesta al

problema o si por el contrario se debe construir un modelo numérico. Una vez diseñado,

el modelo se calibra, realizando a su vez un análisis de sensibilidad de los parámetros

hidrogeológicos para luego ser validado con datos existentes y finalmente realizar una

predicción. En la Figura 5-2 se presenta el esquema de pasos para la modelación

sugerido por Anderson & Woessner (1992).

Figura 5-2 Protocolo de modelación hidrogeológica (Modificado de Anderson & Woessner, 1992)

De acuerdo con lo anterior, el modelo conceptual es la base principal de todo el modelo

hidrogeológico. De éste dependerá que se logre comprender el sistema para poder

plantear hipótesis y predicciones adecuadas. Con base a lo anterior, un modelo


conceptual debe entonces integrar los elementos necesarios que permitirán entender el

comportamiento del agua subterránea y su relación con el entorno. Según Anderson,

(1991) se deben desarrollar tres etapas:

1) Definición de unidades hidroestratigráficas

2) Preparación de balance hídrico

3) Definición del sistema de flujo

En la Figura 5-3 se presenta el esquema conceptual de los componentes que debe incluir

un modelo hidrogeológico conceptual.

Figura 5-3: Componentes del modelo hidrogeológico conceptual en medios fracturados

Las unidades hidroestratigráficas corresponden a unidades geológicas de similares

propiedades hidrogeológicas; esto significa que poseen una capacidad similar de

transmitir y almacenar agua subterránea. Estas unidades forman la columna vertebral del

modelo conceptual (Anderson, 1991), motivo por el cual la definición de la geología es la

parte de mayor importancia en este proceso (Osorio, 2015).

Además de la geología, la definición de estas unidades requiere del conocimiento de las

propiedades hidráulicas de la roca, como es el caso de la permeabilidad. En un medio


fracturado, la permeabilidad se caracteriza por su variabilidad espacial y heterogeneidad,

por lo cual es necesario tratar de comprender las características del sistema de fracturas.

Para lo anterior se realizan análisis estructurales de los afloramientos, lineamientos

fotogeológicos y de la orientación de los drenajes, además de una caracterización

geomecánica de las fracturas en superficie, con la finalidad de definir el patrón de

fracturamiento y las fracturas hidráulicamente conductivas. Adicional a lo anterior las

pruebas de bombeo, los ensayos geoléctricos y las formulas empíricas para el cálculo de

la permeabilidad, son aproximaciones que no pueden ser descartadas en este tipo de

enfoque.

El balance hídrico, establecido con base a la ecuación de continuidad, que corresponde a

determinar cuánta agua entra y sale del sistema, es fundamental para comprender

como se da el proceso de recarga y descarga al sistema. Para ello, es necesario tener en

cuenta las variables climáticas. Tomando la cuenca como volumen de control, se deben

considerar los aportes de precipitación, las salidas por evapotranspiración y escorrentía

superficial directa, el flujo subterráneo que entra y el flujo subterráneo que sale (Velez

Otalvaro, 1999).

La información hidrológica, al igual que los datos geoquímicos, se emplean para analizar

el movimiento del agua subterránea a través del sistema. Para determinar las zonas de

recarga y descarga se pueden emplear también las cabezas piezométricas. Análisis

isotópicos y datos hidrogeoquímicos y teniendo en cuenta la geomorfología de la zona,

pueden ser utilizados para definir las conexiones entre acuíferos y sistemas de agua

superficial. La definición del sistema de flujo puede basarse solamente en datos

hidrológicos, pero es aconsejable utilizar datos geoquímicos donde sea posible para

hacer más robusto el modelo hidrogeológico conceptual (Anderson, 1991).

De acuerdo con Singhal, B.B.S. et al.,(2010), el modelo hidrogeológico conceptual, debe

contener la siguiente información:

Datos superficiales y subsuperficiales sobre los tipos de roca y sus

características. En el caso de rocas duras, datos sobre la profundidad de la roca

sana y los aspectos estructurales como foliaciones, fallas y otras discontinuidades

de la roca.


Geomorfología y características del drenaje, analizadas mediante fotografías

aéreas, imágenes satelitales, topografía y todo tipo de información empleada para

este propósito.

Registros de pozos y perforaciones que permitan identificar el subsuelo geológico.

Datos de información meteorológica, como precipitación, evaporación,

escorrentía, etc.

Niveles del agua y su variación en el tiempo.

Características hidráulicas de las unidades geológicas como la conductividad

hidráulica, transmisividad, capacidad de almacenamiento, etc.

Calidad del agua.

Datos sobre extracción de aguas subterráneas.

Con base a lo anterior, la metodología que se expone a continuación, pretende abarcar

los elementos fundamentales para las tres etapas que conforman el modelo

hidrogeológico conceptual y que se apoyan en la información propuesta por Singhal,

B.B.S. et al (2010). Se parte fundamentalmente de la recolección de información

secundaria, los requerimientos de las autoridades ambientales en Colombia y las

conclusiones obtenidas del análisis de los registros de los túneles, respecto a los

parámetros geológicos y geotécnicos que permiten acercase a identificar zonas de

mayores influjos, por la construcción de una obra subterránea dentro del ambiente

geológico de la Cordillera Central en Antioquia, donde esta investigación tiene su

principal enfoque.

Con base en las conclusiones de la investigación, la propuesta que se presenta en este

capítulo se encuentra estructurada por componentes: geología y geomorfología,

hidrología e hidrogeoquímica y análisis isotópico. En la Figura 5-4 se presenta el

esquema general de la metodología propuesta, en la cual se explican a través de pasos

coherentes, la dinámica de las aguas subterráneas en los medios fracturados y que los

pasos sugeridos para la definición de zonas representativas para los influjos parten de

las investigaciones realizadas en el ambiente geológico de la Cordillera Central en

Antioquia.

Figura 5-4: Esquema metodológico para el desarrollo de un Modelo Hidrogeológico conceptual, en medios fracturados de la Cordillera Central en Antioquia

5.1 Definición de la zona de estudio

La delimitación de la zona de estudio, es de gran importancia para el modelo. A partir de

su definición se determina la extensión y se acotan los análisis de las componentes.

Generalmente, en los estudios hidrológicos e hidrogeológicos, se trabaja a nivel de

cuenca, ya que estas funcionan como una misma unidad integradora de todo el sistema

de flujo y que presenta un comportamiento independiente, considerando que todos los

procesos que ocurran dentro de ella, no afectaran las otras unidades adyacentes. Sin

embargo, en el ámbito hidrogeológico no se debe dejar de considerar la posibilidad de

que existan aportes o pérdidas de otras o hacia otras cuencas, por lo cual los límites

geográficos de la cuenca no siempre son los límites de los acuíferos (Vélez Otálvaro,

1999); esto puede ocurrir a través de los sistemas de fallas o de fracturas de la roca que

se encuentren interconectadas (Ver Figura 5-5).

Para el caso de una obra subterránea, la zona de estudio se delimita a partir del

lineamiento del túnel, teniendo en cuenta las cuencas de las corrientes que éste

atraviesa y de un análisis geológico preliminar.

Figura 5-5: Mecanismo de aporte de aguas de otras cuencas (Modificado de Velez Otalvaro, 1999)

Donde P es la precipitación, ESD es la escorrentía superficial directa, qwe es el aporte de

caudal de otras cuencas y Qws el flujo subterráneo que sale de la cuenca.

5.2 Componentes del modelo hidrogeológico conceptual

La caracterización de la geología, geomorfología, geotécnica, hidrogeoquímica e

hidrología dentro del modelo hidrogeológico conceptual, tienen la finalidad principal de

definir la distribución de las unidades hidroestratigráficas y sus propiedades


hidrogeológicas (Capacidad de almacenamiento, conductividad hidráulica,

transmisividad), las zonas y el potencial de recarga y la dirección de flujo en el sistema.

Reciénteme Osorio (2015), propuso una metodología para desarrollar el modelo

hidrogeológico conceptual en medios fracturados, que integra las componentes

mencionadas como herramientas para el desarrollo del modelo. En general, la mayoría

de sus planteamientos se consideran aplicables en los modelos conceptuales para

túneles y en especial para la zona de estudio.

El mal planteamiento de estas componentes en el modelo conceptual puede implicar

“sorpresas” en el modelo numérico, lo que se refiere a condiciones no planteadas

inicialmente en el modelo y que pueden afectar los resultados. Para dar solución a las

“sorpresas”, se plantea que primeramente se debe recolectar tanta información como sea

posible y se debe entender que nueva información puede cambiar fuertemente el modelo

conceptual (Bredehoeft, 2005). Para definir cada componente, se debe en primera

instancia, recolectar información tanto de carácter primario como secundario y la escala

de trabajo debe ser lo más detallada posible.

5.2.1 Geología, Geomorfología y Geotecnia

Geología y Geotecnia

La existencia, movimiento y almacenamiento del agua subterránea están controlados por

la geología. Los controles estructurales como plegamientos, fisuras, fracturas y fallas,

afectan la disposición y distribución de los acuíferos, ya que pueden actuar como

barreras o conductores de agua (Velez-Otalvaro, 1999).

Dentro del análisis hidrogeológico, el papel de esta componente tiene como fin principal

la definición del modelo geológico de la zona de estudio, en el cual se debe comprender

la distribución espacial de los materiales, la litología, accidentes tectónicos, espesores,

secuencia de las capas y contactos con las unidades subyacentes y suprayacentes. A

partir del modelo geológico se conocerá la distribución espacial de las unidades

hidroestratigráficas.

Como primer paso, la recolección de información de esta componente debe realizarse a

escala regional y local. A nivel regional, la información recolectada debe permitir


comprender el ambiente geológico donde se formaron las unidades locales. La

caracterización local implica el levantamiento de datos en campo, el análisis de estudios

en la zona, la geología estructural y medidas directas como registros geofísicos y

perforaciones.

Las herramientas empleadas para la caracterización de esta componente comprenden el

uso de fotografías aéreas e imagines satelitales y la definición de las propiedades

hidrogeológicas de la unidad (conductividad hidráulica, capacidad de almacenamiento,

transmisividad), se apoyan en las pruebas de bombeo, pruebas de permeabilidad y

aproximaciones empíricas.

Geología estructural

En cuanto a la caracterización de un medio fracturado y su relevancia para predicción de

influjos por la construcción de un túnel, este análisis se considera el de mayor peso en

todo el proceso del modelo conceptual. Como se demostró en esta investigación y en

varios estudios (por ejemplo Bense et al., 2013; Leray et al., 2013; Roques, Bour,

Aquilina, & Dewandel, 2015), las estructuras geológicas como fallas, fisuras y fracturas,

tienen efectos en las distribución y localización de los acuíferos y su conocimiento

permite acercarse a tener una predicción más adecuada de cómo es la dinámica

subterránea en una unidad litológica.

Con base a la caracterización geologica y estructural realizada para los túneles de los

tres proyectos estudiados, se plantea que el análisis de las tendencias estructurales para

un túnel, debe en general definirse a partir de dos escalas de detalle, regional y local. La

caracterización de la tectónica regional, se realiza mediante el análisis de información

secundaria y la fotointerpretación. De esta primera etapa se reconocen las estructuras

regionales tales como fallas, lineamientos, así como evidencias morfológicas de actividad

tectónica (facetas triangulares, silletas, etc), que permitirán más adelante identificar la

relación con respecto a las estructuras locales. La segunda etapa corresponde a la

caracterización local, para lo cual es necesario realizar trabajo de campo y contar con

información cartográfica del lineamiento de los drenajes. Aquí se definen las principales

familias de diaclasas de las diferentes unidades litológicas, las direcciones preferenciales

de los rumbos de los drenajes y las familias hidráulicamente conductivas.


De acuerdo con la información estructural analizada en la investigación, el proceso de

caracterización local debe tener una metodología clara y definida para poder obtener los

datos necesarios que permitan aportar en el entendimiento del sistema subterráneo. Para

tal caso, se sugiere llevar a cabo este proceso empleando la metodología desarrollada

por Chica (1979), propuesta inicialmente por Louis (1974) y sugerida por Osorio (2015),

para los modelos hidrogeológicos en medios fracturados. La metodología tiene la

finalidad principal de recolectar las herramientas necesarias para conocer la

conductividad hidráulica relativa de las discontinuidades estructurales. Esto se realiza

mediante la recolección de datos estructurales en campo, el análisis general de las

estructuras mediante diagramas de rosas, el análisis de los rumbos de drenajes y el

análisis geoestadístico de las fracturas. Tal y como se realizó en la investigación, el

procesamiento de datos se puede apoyar en software como el Dips desarrollado por

Rocscience y sistemas de información geográficos; el primero permite identificar la

distribución y el número de familias de discontinuidades a través de un diagrama de

polos de frecuencia estadística, y adicionalmente identificar su dirección preferencial

mediante el diagrama de rosas; y el segundo permite comprender el sistema a nivel

geoespacial, mediante la identificación de lineamientos fotogeológicos y el análisis

cartográfico de los segmentos de tramos rectos en la red de drenaje, que dan una noción

sobre la orientación de los esfuerzos regionales que actuaron sobre la región de estudio

(Flórez, Ramírez, & Monsalve, 2010).

En el levantamiento de datos estructurales en campo, se toma información acerca de la

geometría de las fracturas, la persistencia, el relleno de la fractura, el estado de la roca,

la densidad de fracturamiento, el grado de meteorización de cada familia de fracturas, el

número de familias presentes en el macizo, el perfil estratigráfico y las anotaciones

acerca de la presencia de agua (Flórez et al., 2010). Con la caracterización de las

discontinuidades se construyen los diagramas de polos de frecuencia estadística y las

rosetas de rumbo para las diferentes estructuras muestreadas y según su peso

hidráulico, y se realiza un esquema inicial del perfil estratigráfico para el lineamiento del

túnel y las unidades geológicas.

El peso hidráulico que se calcula a partir de la ecuación ( 5-1), representa el potencial de

las discontinuidades de conducir agua, por tanto, aquellas con valores entre 1 y 2,

poseen una mayor capacidad conductiva.


( )

( )

2.0

( 5-1)

Este procedimiento para obtener el diagrama de familias hidráulicamente conductivas,

empleando el programa Dips, implica que el peso hidráulico entero de un polo

determinará su número de entradas en el programa de cómputo. Por tanto, aunque exista

un número específico de polos en el análisis, el número de polos procesados en el

programa es superior a este.

El análisis geoestadístico se realiza para las diferentes unidades litológicas en el área de

estudio y para varios tramo del túnel, considerando zonas de mínima, media y máxima,

cobertura de roca.

Con base a los resultados obtenidos en la investigación presentada, se demostró que es

importante además considerar en la construcción de los diagramas de peso hidráulico,

las familias de discontinuidades que se presentan subparalelas a la dirección del túnel y

con altos buzamientos, ya estas poseen una mayor probabilidad de favorecer las

infiltraciones y por lo tanto su peso hidráulico debe ser mayor. Adicionalmente, se debe

considerar el análisis de los esfuerzos principales mediante la recolección de los datos

representativos de las familias principales de discontinuidades ya que son útiles para

identificar las direcciones de fracturamiento principales del macizo rocoso.

En la Figura 5-6 se presenta la recopilación de los elementos básicos que componen la

caracterización de las tendencias estructurales, en el modelo hidrogeológico conceptual,

de acuerdo con los resultados de la investigación.

Según la caracterización realizada para los túneles de los tres proyectos, se evidenció

que un análisis global para toda una zona no da indicios tan cercanos para identificar

posibles zonas influjos en la excavación, como lo hace un análisis por tramos. De

acuerdo con lo anterior se plantea que el análisis estructural debe realizarse por tramos

homogéneos de túnel, teniendo en cuenta las unidades litológicas, cobertura de roca y

zonas permeables o de almacenamiento de agua en superficie. Una vez se elabora todo

el análisis estructural, se realiza una zonificación por tramos, en el perfil transversal y

longitudinal del túnel y se marcan según los resultados obtenidos los tramos más

(Chica,1979)


vulnerables a presentar infiltraciones durante la construcción del túnel. Finalmente toda la

información recolectada en la etapa preliminar del reconocimiento estructural, se valida

mediante una campaña de prospección, empleando registros de geofísica, perforaciones

y métodos directos para el cálculo de las propiedades hidráulicas. El cálculo de la

conductividad hidráulica se realiza inicialmente a través de aproximaciones empíricas.

Para este caso, se explicaran las consideraciones necesarias dentro de la campaña de

prospección que se enuncia más adelante.

Figura 5-6: Elementos básicos para la caracterización de las tendencias estructurales

Geomorfología

Así como las características litológicas tienen una importancia relevante, también la

tienen las características geomorfológicas, ya que juegan un papel clave en las

investigaciones hidrogeológicas. Ésta disciplina aporta mapas que relacionan la

diversidad de geoformas y las características del drenaje, las cuales contribuyen

significativamente en la identificación de áreas de recarga de aguas subterráneas

(Singhal y Gupta, 2010). El patrón de drenaje también permite la caracterización

preliminar de las estructuras y litología de las rocas.

La finalidad de esta componente en el modelo conceptual, es poder delimitar las

superficies de recarga y descarga, a través del reconocimiento de las características del


relieve, como son las pendientes, el patrón de drenaje, el grado de erosión, el grado de

incisión y presencia de fallas y/o lineamientos. Diferentes tipos de relieve pueden

propiciar condiciones para que se dé el almacenamiento o descarga de agua

subterránea. Adicionalmente esta componente puede también dar indicios de la dirección

del flujo de agua y de cambios estructurales.

Como primer paso para definir las zonas de recarga a partir de la geomorfología, se

identifican las unidades geomorfológicas. Estas unidades corresponden a geoformas

cuyos procesos de formación pueden ser estructurales, deposicionales, erosionales,

disolucionales, residuales, o mixtos. Las herramientas empleadas para definir el modelo

geomorfológico son fotografías aéreas, ortofotos, imágenes satelitales, planos

topográficos (curvas de nivel) y cartografía base, en las cuales se pueda identificar la

variación del relieve.

Una vez identificadas las geoformas, se realiza una clasificación, según el potencial de

recarga de cada unidad. Tal y como se evidenció en la investigación, que las zonas con

pendientes bajas, correspondientes a unidades planas, tales como los altiplanos, las

mesetas y las planicies, favorecen la infiltración del agua subterránea por lo cual a estas

se asocia un potencial de recarga medio a alto, mientras que para las altas pendientes,

como unidades de escarpes, cerros y unidades de pendientes moderadas a altas, se

asocia un potencial de recarga significativamente menor, debido a que para estas

unidades predomina la escorrentía superficial directa hacia los cauces principales. La

identificación de manantiales y filtraciones sub-superficiales que controlan la naturaleza

de los procesos erosivos en una ladera en climas húmedos son un reflejo directo del

régimen hidrogeológico (Freeze y Cherry, 1979).

Osorio (2015), sugiere que otro aspecto importante en la caracterización geomorfológica

dentro del contexto hidrogeológico, corresponde a considerar los procesos erosivos y de

remoción en masa, ya que estos pueden ser un indicador de la existencia de la

interacción entre el flujo superficial y subterráneo. Para ello se realiza un inventario de

procesos morfodinámicos (desprendimientos, arrastre y descarga de rocas, depósitos y

suelos), mediante el reconocimiento en campo, la fotointerpretación y el análisis de

curvas de nivel de diferentes años, en los cuales se puedan observar las zonas de

deslizamiento activas e inactivas y la ocurrencia temporal de los procesos, para


posteriormente compararse con la incidencia de las zonas definidas de recarga y

descarga dentro del modelo geomorfológico.

Debe tenerse en cuenta que los procesos morfodinámicos, además de la influencia en el

agua subterránea, pueden originarse también debido a la influencia de las condiciones

naturales del terreno tales como la topografía, el clima, el material parental y la estructura

de la roca, o por condiciones antrópicas (movimientos de tierra, el sobrepastoreo, la

minería, la disposición inadecuada de aguas superficiales, entre otras), para lo cual en el

inventario se detallan las condiciones causantes del fenómeno de inestabilidad.

En la Figura 5-7 se presenta los insumos y productos que se obtienen del desarrollo de la

componente de geomorfología dentro del contexto hidrogeológico para el modelo

conceptual, que se plantean con base a la investigación realizada.

Figura 5-7 Insumos y productos derivados de la componente geomorfológica para el modelo hidrogeológico conceptual

Campaña de Prospección

Dentro de los análisis realizados para los túneles de los tres proyectos, se evidenció la

necesidad de plantear un proceso que permitiese validar las hipótesis obtenidas a través

de la caracterización geomecánica y geológica-estructural. Con base a lo anterior, se

plantea el desarrollo de una campaña de prospección, diseñada a partir de los resultados

obtenidos en la geología estructural, orientada a validar las hipótesis acerca de las

familias más conductivas, el perfil estratigráfico y las propiedades hidráulicas de las


unidades litológicas. En tal diseño, se considera que los puntos y zonas de prospección

seleccionadas permitan refinar todas las otras componentes y que adicionalmente cubra

puntos cercanos al alineamiento del túnel, ya que por su desempeño como galería

drenante, es importante tener mayor detalle en esta zona.

Partiendo de que los resultados de las fracturas superficiales recolectadas en campo

pueden verse afectadas por la meteorización y por lo tanto no representar las

condiciones en mayor profundidad, se obtiene una mejor información a partir del análisis

en profundidad en pozos, ya sea a partir del examen de material del núcleo, o el uso de

métodos de registro geofísicos (Cook, Land, & Osmond, 2003). Los métodos de

prospección que se consideran a continuación, se plantean de acuerdo con las

necesidades de exploración detectadas tras la investigación desarrollada.

Perforaciones

Las perforaciones en la construcción del modelo hidrogeológico conceptual, se emplean

con los siguientes propósitos, entre otros:

Definir el perfil estratigráfico (Litología y espesor de las capas)

Identificar zonas con evidencias de ser paso de agua (zonas con oxidaciones),

fracturas con agua y material de relleno de las fracturas

Identificar la dirección principal de los planos de fracturamiento

Calcular los esfuerzos principales

Calcular el índice de calidad de roca -RQD

La definición del espesor y composición del suelo es particularmente importante en rocas

cristalinas, ya que estos influyen en el potencial de recarga de un acuífero (Singhal,

B.B.S. et al., 2010). En la zona de estudio los perfiles de suelo se caracterizan por poseer

espesores importantes debido a estar situado en una zona tropical, donde las

condiciones de meteorización de las rocas son favorecidas por el clima.

La identificación de las zonas oxidadas se realiza mediante el análisis de los núcleos de

roca recuperados, con la finalidad de inferir si sobre las facturas está circulando agua

subterránea. Adicionalmente se analiza la orientación de las fracturas a partir de los


núcleos y con ayuda de televiewer y video cámaras o sondeos geofísicos como los

registros caliper, que permiten identificar el tipo de fractura y su orientación dentro de la

perforación (Osorio, 2015), resaltando que esta no necesariamente es representativa de

todo el sistema, por ser solo un tramo pequeño de toda la fractura.

La magnitud y orientación de los esfuerzos principales pueden tener incidencia en la

abertura de las discontinuidades, y consecuentemente en su conductividad hidráulica.

Estos parámetros pueden establecerse utilizando tanto técnicas de laboratorio como

mediciones de campo, así como a partir del análisis geoestadistico de la cartografía

estructural.

Con los valores del RQD se realizan estimativos de la conductividad hidráulica de las

rocas duras, ya que son una medida semi-cuantitativa de la densidad de fracturamiento,

que se estima desde los núcleos de perforación recuperados (Singhal, B.B.S. et al.,

2010).

Geofísica

Varios estudios ( por ejemplo Kelley, 1977; Kelley & Frohlich, 1985; Chandra et al., 2008;

Holmøy, 2008) sugieren que el cálculo de la conductividad hidráulica a partir de los

métodos geofísicos, son los más acertados, ya que los métodos geofísicos que permiten

determinar la orientación de las fracturas en las perforaciones arrojan una alta resolución,

que puede permitir describir las orientaciones del flujo en un tensor de conductividad

(Fuertes, 2014).

En hidrogeología, los métodos geoléctricos son aplicados para conocer la estructura del

agua subterránea con base al contraste entre las resistividades de los materiales; esta

permite a su vez identificar características especiales como la diferencia entre agua

fresca y agua salada; la diferencia entre acuíferos de arena y materiales de arcilla; entre

rocas cristalinas porosas y acuíferos fracturados (Donohue, S., 2014). En los medios

fracturados pueden ser aplicados para encontrar cambios entre los niveles de

meteorización de una formación cristalina, zonas de fractura y estructuras presentes

(Osorio, 2015).


Como primer paso para la exploración geofísica, se debe contar con el modelo del

subsuelo cuya realidad quiere comprobarse. Además de los datos geométricos del

modelo, debe conocerse el valor más probable de las propiedades físicas de las rocas

involucradas; a partir de este modelo, y con un buen conocimiento de las bases teóricas

en que se fundamentan los diferentes métodos geofísicos, se procede a seleccionar el

método más adecuado para la resolución del problema planteado. Se recomienda

emplear más de un método para potenciar la información (Plata, 2000).

En la Tabla 5-1 se mencionan los métodos geofísicos mayormente empleados en la

construcción del modelo geológico y la estimación de los valores de conductividad para

definir las unidades hidroestratigráficas.

Tabla 5-1: Métodos geofísicos para el desarrollo del modelo hidrogeológico conceptual

Método Geofísico Descripción

Métodos de Resistividad

Eléctrica

Tomografías eléctricas

Se emplean en zonas de altas pendientes. Sus resultados permitiendo establecer el perfil de los materiales en el subsuelo, dependiendo de las variaciones de resistividad, lo que lo hace adecuado para la detección de contactos verticales, cuerpos y estructuras que se presentan como heterogeneidades laterales de resistividad.

Sondeos Eléctricos verticales

Se emplean en zonas de bajas pendientes. Sus resultados muestran una columna de resistividad para un punto, con la finalidad de establecer el perfil estratigráfico.

Borehole televiewer (BHTV)

Se considera como uno de registros geofísicos más útil para localizar fracturas. Sus resultados son una imagen de video, que refleja mediante cambios en la intensidad de la imagen, los cambios en la uniformidad de las paredes del pozo o perforación, como las fracturas (Cook et al., 2003)

Caliper Este sondeo, se emplea para identificar las zonas de roca débil y fracturada, mediante la obtención de un registro continuo de las variaciones del diámetro de la perforación de exploración.

Métodos sísmicos

Reflexión sísmica

Este método permite la localización y determinación cuantitativa de saltos de falla, la cartografía de la roca firme y de estructuras del recubrimiento. Se emplea fundamentalmente para profundidades superiores a los 100 m, pero en condiciones óptimas (grano fino y saturación de agua) se puede lograr alcanzar resoluciones de 1 m en los primeros 15 m (Plata, 2000).

Refracción sísmica

Este método se emplea para determinar la profundidad del sustrato, la posición y potencia de acuíferos, la profundidad de calizas carstificadas y el contacto con las calizas compactas y adicionalmente pueden inferirse datos de porosidad (Plata, 2000). Las técnicas de refracción son las más apropiadas cuando el objeto de interés está a poca profundidad (<50m); poseen una resolución más baja que la reflexión sísmica. Sin embargo, ya que los métodos de refracción son de bajo costo y de adquisición puede tener más éxito en ambientes saturados y no consolidadas, son usados más a menudo para aplicaciones tales como determinar la profundidad del nivel freático y a la parte superior de cimentaciones, o para localizar fallas significativas. (Hubbard & Linde, 2011, en Osorio, 2015).

Método de potencial espontáneo

Este método se emplean para resolver casos muy puntuales de límites de acuíferos y el movimiento del agua en terrenos tanto sedimentarios, como cársticos y volcánicos (Plata, 2000). Las investigaciones actuales están avanzando en la capacidad de utilizar SP para caracterización


Método Geofísico Descripción

hidrogeoquímica cuantitativa (Hubbard & Linde, 2011 en Osorio, 2015).

Parámetros Hidráulicos

En esta etapa se realiza la definición de las propiedades hidráulicas de las unidades

hidrogeológicas (conductividad hidráulica, capacidad de almacenamiento,

transmisividad). Dichas propiedades se determinan mediante métodos directos, como los

ensayos lugeon y las pruebas de bombeo, o mediante estimaciones empíricas. Para

mejorar la calidad del modelo conceptual, se emplean ambos métodos y se analizan

diferentes escenarios del posible comportamiento del sistema de flujo subterráneo.

En el alineamiento del túnel, el análisis de valores de conductividad se realiza por tramos,

con la finalidad de identificar anomalías a medida que se alcanza una mayor profundidad;

esto arrojaría una mejor idea de lo que representa la permeabilidad en un medio

fracturado (Fuertes, 2014).

A continuación se describen los métodos directos y métodos empíricos aplicables para

medios fracturados.

Métodos de estimación directos: En los medios fracturados, los métodos para

estimación de los parámetros hidrogeológicos más usados son el ensayo lugeon y

las pruebas de bombeo.

Ensayo Lugeon: Es el método más usado para estimar las características hidráulicas de

rocas fracturadas. Consiste en inyectar agua a un rango de presión constante midiendo

su tasa de flujo.

Se considera que este método sirve más como indicador de la calidad de las inyecciones

de impermeabilización, que en la estimación de la conductividad hidráulica. Fuertes

(2014) propuso mediante el análisis del enfoque tensorial de la conductividad hidráulica,

que los ensayos Lugeon poseen muchas limitaciones en la estimación de este

parámetro, ya que las formulaciones que son empleadas para obtener la conductividad

hidráulica a partir de datos de inyección de agua se basan en principios teóricos de

medios porosos, considerando recarga de acuíferos, algo que no corresponde a un

medio fracturado, donde la conductividad hidráulica está controlada por las fracturas.


Pruebas de Bombeo: Como su nombre lo indica, consisten en realizar un bombeo en un

pozo, a caudal constante o a caudal variable, anotando la evolución del nivel del agua.

Es importante disponer de uno o más pozos de observación para identificar la longitud de

influencia del bombeo. Mediante el análisis se determinan los parámetros hidráulicos de

conductividad hidráulica, transmisividad y coeficiente de almacenamiento; estos

parámetros son muy útiles para calcular los abatimientos que pueden ser generados por

la construcción de obras subterráneas.

Osorio (2015), sugiere que estas pruebas no son de mucha utilidad en medios

fracturados, ya que sus resultados son sólo representativos del área abarcada, y al ser

medios de baja permeabilidad, se produce un agotamiento excesivamente rápido del

pozo, para lo cual se deben usar tasas de bombeo muy lentas, de difícil regulación

técnica. Adicional a que por su lenta recuperación se puede enmascarar la respuesta del

acuífero, por lo cual recomienda que en medios fracturados se realicen los ensayos tipo

Lugeon, complementados con cálculos empíricos de permeabilidad. Adicionalmente los

métodos para obtener las conductividades hidráulicas in situ se deben reforzar con

medidas de orientación de núcleos, ya que con esta orientación se identifican las

direcciones predominantes del flujo (Fuertes, 2014)

Métodos de estimación indirectos: Existen diversos métodos empíricos para el

cálculo de la permeabilidad. Hsu, et al., (1996) propone dos modelos empíricos

para estimar la conductividad hidráulica de un macizo rocoso fracturado. El

primero se basa en un sistema de clasificación del macizo rocoso que llamó "HC-

system-", en el cual se analizan los parámetros RQD, índice de profundidad (ID),

designación de contenido gubia (material de relleno de la falla) - (GCD), y el

índice litológico de permeabilidad (LPI). Los valores de HC pueden ser calculados

a partir de datos de imágenes de pozo y los datos de núcleos de roca.

El otro método se basa en la relación directa entre la abertura de las discontinuidades y

la permeabilidad. Se correlaciona las características del medio fracturado como abertura,

orientación y velocidad de flujo que equivale a la conductividad hidráulica, partiendo del

registro de pozos con televiewer y la realización de pruebas hidráulicas (Osorio, 2015).

La implementación específica del método se documenta en las referencias.


En la Figura 5-8 se presenta los insumos y productos que se obtienen del desarrollo de la

componente de caracterización de los parámetros hidráulicos dentro del contexto

hidrogeológico para el modelo conceptual.

Figura 5-8 Insumos y productos derivados de la componente caracterización de los parámetros hidráulicos para el modelo hidrogeológico conceptual

5.2.2 Hidrología

El balance hídrico es el principal objetivo de esta componente, en éste se determinan los

flujos de entrada y de salida de un sistema, y se determinan además las condiciones

iniciales de la hidrología superficial antes de realizar la excavación subterránea. Esto se

hace mediante el análisis de las variables del ciclo hidrológico (precipitación, escorrentía,

evapotranspiración, infiltración, etc), el análisis de los caudales de las corrientes

principales, el registro de los niveles piezométricos, que en conjunto permitirán

determinar flujos de entrada y salida del sistema y estimar la recarga del acuífero.

La recarga de agua subterránea se define como la entrada de agua dentro de la zona

saturada, donde comienza a hacer parte de las reservas subterráneas de agua (Bradbury

et al., 2000). Dicha entrada puede ocurrir por un movimiento descendente del agua

debido a las fuerzas de gravedad o por la entrada de agua al acuífero luego de

presentarse un movimiento horizontal del flujo debido a las diferentes condiciones


hidráulicas de las capas que constituyen el perfil del suelo (Balek, 1988 en Vélez

Otalvaro & Vásquez Ariza, 2004).

Existen varios métodos para la estimación de la recarga subterránea; se pueden emplear

medidas directas (mediante lisímetros, medidores de infiltración), análisis del balance de

agua, técnicas de Darcy, métodos empíricos y técnicas de trazadores como isotopos. El

método más empleado es el balance hídrico, debido a la facilidad para obtener los datos,

su bajo costo y rapidez de aplicación; Sin embargo se sugiere estimar la recarga

mediante dos o más técnicas para validar los resultados obtenidos.

En el mundo, uno de los métodos más aplicados para acuíferos de basamento cristalino

es el método propuesto por Nyagwambo, N.L (2006), que evalúa el potencial disponible

mensual y la recarga anual en una pequeña cuenca compuesta por un acuífero de

basamento cristalino, teniendo dentro de consideración las características físicas y la

precipitación de la cuenca. Con este fin se emplean tres métodos para estimar la recarga

de agua subterránea: el balance de masa cloridico (CMB), el balance de agua diario de la

cuenca (WB) y la fluctuación de la tabla de agua (WTF), (Osorio, 2015).

Dentro de la zona de estudio, la metodología de balance hídrico propuesta por Vélez et al

(2005), basada en el modelo propuesto por Bradbury, et al. (2000), para la estimación de

la recarga potencial por precipitación, es una de las más empleadas y aplicables, ya que

fue probada para una zona húmeda tropical del este de Antioquia. En esta metodología

se analiza la variabilidad espacial de la recarga, empleando los parámetros

meteorológicos como la precipitación, la escorrentía, la evapotranspiración, la infiltración,

la humedad del suelo y la capacidad de almacenamiento. En la Figura 5-9 se presenta el

diagrama de flujo propuesto por Vélez et al. (2005).

Para la implementación del método los datos de entrada son fácilmente obtenibles. Los

insumos comprenden series diarias de precipitación, evaporación y temperatura de varios

años, el modelo de elevación digital, el mapa de unidades de suelos y el mapa de

coberturas de la tierra.

Los niveles piezométricos, necesarios para la comprensión de las líneas de flujo y la

calibración del modelo numérico, se obtienen mediante perforaciones, piezómetros o

pozos de inspección. De igual forma se pueden emplear los niveles en pozos y aljibes de

la comunidad y los manantiales dentro del área de estudio, realizando un inventario con


la información pertinente que permita identificar las condiciones de demanda del acuífero

y su estado actual.

Figura 5-9: Diagrama de flujo simplificado del modelo de estimación de la recarga potencial por precipitación (Vélez et al., 2005)

En la Figura 5-10 se presenta los insumos, fuente y productos que se obtienen del

desarrollo de la componente de hidrológica dentro del contexto hidrogeológico para el

modelo conceptual, según la investigación realizada. Cabe resaltar que las fuentes

mencionadas son las más generales y reconocidas en el medio, pero se puede emplear

información más detallada de otras entidades o fuentes.


Figura 5-10: Insumos y productos derivados de la componente hidrológica para el modelo hidrogeológico conceptual

5.2.3 Hidrogeoquímica y Análisis Isotópico

La química en los estudios hidrogeológicos se fundamenta en el postulado según el cual,

la composición química del agua subterránea es el resultado combinado de los

constituyentes del agua que ingresa al acuífero y sus reacciones con los minerales

presentes en la roca a través de la cual circula y en la que ha estado almacenada, o con

sustancias contaminantes (Betancur V., 2010 en Osorio, 2015).

La función principal de estas dos componentes dentro del modelo hidrogeológico

conceptual, consiste en determinar las líneas de flujo preferencial del agua subterránea,

los tipos de agua, los tiempos de residencia del agua en el subsuelo y además ayudar a

validar las hipótesis sobre zonas de recarga. A continuación se describe el análisis que

se debe tener en cuenta en cada componente.

Hidrogeoquímica

Los constituyentes químicos disueltos en el agua pueden dar evidencias acerca de su

historia geológica, la influencia del suelo o las masas de roca a través de las cuales el

agua fluye, la presencia de depósitos minerales y el origen del agua dentro del ciclo


hidrológico (Freeze & Cherry, 1979), ya que las características químicas en el agua

subterránea se encuentran controladas por la litología y mineralogía de los sedimentos y

rocas por las que circula (González -Abraham, et al., 2012).

Los análisis hidrogeoquímicos se realizan sobre las corrientes principales y los puntos de

agua subterránea como manantiales, aljibes o pozo, ubicados dentro de la zona de

estudio delimitada. El inventario de puntos de agua, además de servir como un registro

de las condiciones antes de la construcción de la obra subterránea, permitirá determinar

los mecanismos de flujo de aguas subterráneas en los diferentes tipos de roca, partiendo

de que existen circulaciones locales, intermedias y regionales; adicionalmente permitirá

evaluar la disponibilidad del recurso subterráneo y tener una visión global de las

características y comportamiento de las diferentes unidades geológicas potencialmente

acuíferas (Osorio, 2015).

En el proceso se miden parámetros físicos como pH, temperatura, conductividad

eléctrica, sólidos totales disueltos y salinidad. Debido a los costos de los análisis de los

parámetros químicos y a las condiciones de medición, se propone obtener un análisis

más completo y representativo de esta componente, realizando una selección de los

puntos de agua subterránea más importantes. La selección depende del caudal, la

localización del punto dentro de la zona de estudio y las captaciones. Para los puntos

seleccionados se analizan los iones mayoritarios (bicarbonatos, cloruros, sulfatos, sodio,

calcio, magnesio, hierro, nitratos, silicatos y potasio) y se presentan mediante los

diagramas de Stiff y Piper (Figura 5 11), que posteriormente se correlacionan con la

secuencia de Cheboratev (Figura 5 12).

La secuencia de Cheboratev se fundamenta en que las aguas de circulación regional,

tienden a ir aumentando su mineralización, hasta irse saturando primero en diversos

iones y posteriormente en aniones. En los aniones, primero satura el ion bicarbonato,

incluso desde la infiltración y más tarde el ion sulfato, el ion cloruro no llega a saturar

normalmente (Custodio, E. & Llamas, M.R, 1976 en Osorio, 2015).


Figura 5-11: Diagrama de Piper (Fetter, 2001) a la izquierda y Diagramas de Stiff (Fitts, 2002) a la derecha.

Figura 5-12: Secuencia de Cheboratev (Freeze, R. & Cherry, J. A., 1979)

Análisis isotópico

Los estudios que involucran técnicas isotópicas, se han empleado como herramientas de

apoyo para dar solución a problemas de origen y movimiento del agua subterránea, ya

que son de gran utilidad donde se requiere identificar el origen de aguas subterráneas,

zonas de recarga, direcciones de flujo, patrones de mezcla y la vulnerabilidad a la

contaminación (Veléz O., M.V & Rhenals G., R. L, 2008).

El análisis de trazadores, como los isotopos ambientales deuterio y oxígeno 18, permiten

obtener información acerca del origen y movimiento del agua subterránea, que debido a

su comportamiento conservativo, son útiles para determinar líneas de flujo de agua

subterránea y tiempos de residencia en el subsuelo (Osorio, 2015). El muestreo isotópico

se realiza mediante la instalación de recolectores de aguas lluvias, con la finalidad de

obtener muestras representativas de la lluvia de la zona.


Para los análisis del monitoreo isotópico de la precipitación mundial, se emplea

actualmente el patrón VSMOW (Viena Estándar Mean Ocean Water), que corresponde a

la expresión obtenida por Clark y Fritz, (1997), a través de la cual se describe la ecuación

de línea meteórica mundial, LMM, (ver 𝜕2𝐻=8.13𝜕18𝑂+10.8 Ecuación 5-2). La

concentración de isotopos en la lluvia está controlada por factores como la temperatura

de formación de las nubes, la topografía, la latitud, la continentalidad, la época del año y

la cantidad de precipitación. Por ejemplo, el efecto altitudinal de la composición isotópica

en la precipitación es una relación muy útil en la hidrogeología isotópica, ya que permite

identificar la elevación a la que se produce la recarga y por tanto diferenciar donde se

recargan las aguas (Velez O. & Rhenals G., 2008).

𝜕2𝐻=8.13𝜕18𝑂+10.8 Ecuación 5-2

La pendiente de la LMM puede cambiar debido procesos de interacciones agua–roca,

reacciones H2S, evaporación de cuerpos de agua y condensación, cada uno de estos

procesos exhiben desviaciones típicas en los isotopos ambientales, como se muestra en

la Figura 5-13 (Osorio, 2015)

Figura 5-13: Línea Meteórica Mundial (UNESCO - IAEA, 2001) a la izquierda y desviaciones de la línea meteórica a la derecha (Domenico, P. A. & Schawartz, F. W., 1997) modificado de Osorio, (2015).

Esta componente resulta muy útil en el análisis preferencial de flujo en los medios

fracturados, ya que mediante los análisis fisicoquímicos a partir del muestreo de las

filtraciones en las fracturas y discontinuidades principales y la comparación con los

análisis isotópicos en la zona de estudio, es posible determinar la procedencia las aguas

subterráneas y probar si existe interconectividad entre las fracturas.


En la Figura 5-14 se presenta los insumos y productos que se obtienen del desarrollo de

la componente de hidrogeoquímica y los análisis isotópicos dentro del contexto

hidrogeológico para el modelo conceptual, según la investigación realizada.

Figura 5-14: Insumos y productos derivados de la componente hidrogeoquímica y análisis isotópicos para el modelo hidrogeológico conceptual

5.3 Objetivos y alcances de una exploración hidrogeológica de un túnel en la Cordillera Central

De acuerdo con lo expuesto anteriormente, el desarrollo de un modelo hidrogeológico

conceptual en medios fracturados requiere tanta información pertinente como sea

posible. Por lo general, las sorpresas en los modelos numéricos se deben principalmente

a un mal planteamiento del modelo conceptual. Para dar solución a este problema, es

necesario conocer en detalle el sistema subterráneo y se debe mantener abierto a que

nueva información puede cambiar fuertemente el modelo conceptual (Bredehoeft, 2005).

El objetivo de una exploración hidrogeológica adecuada, es el conocimiento en detalle de

las tres componentes principales del modelo conceptual: unidades hidroestratigráficas,

balance hídrico y sistema de flujo. La información recolectada debe permitir determinar

con claridad aspectos tales como las áreas de recarga y descarga, las direcciones de

circulación del agua, la distribución de las unidades litológicas, los contactos, las

estructuras primarias y tectónicas, la permeabilidad primaria y secundaria, tanto


cualitativa como cuantitativa, así como también afectaciones o impactos de la excavación

subterránea sobre el recurso hídrico superficial y subterráneo.

Mediante esta investigación, se demostró que el nivel de detalle de la información debe

permitir la caracterización local del área de estudio y la caracterización por tramos del

túnel, ya que presenta mayor representatividad de la permeabilidad en un medio

fracturado.

6. Conclusiones y recomendaciones

6.1 Conclusiones

En algunos países, como es el caso de Colombia, el estudio de los medios porosos tiene

mayor importancia debido a su alto potencial hidrogeológico, que lo constituyen como

una fuente de abastecimiento significativa para el consumo humano. Este motivo ha

conducido a que el enfoque de los estudios hidrogeológicos considerando medios

fracturados sean pocos.

Los lineamientos planteados para la modelación hidrogeológica en el país son muy

generales, ya que no se discriminan metodologías de análisis según el enfoque

hidrogeológico (medio poroso o medio fracturado). Esta característica, que debería ser

tenida en cuenta pues condiciona el resultado, hace que los resultados de los modelos

hidrogeológicos que utilizan enfoques de medios porosos sean de valor limitado en los

acuíferos de rocas fracturadas, debido a la heterogeneidad

Del proceso de caracterización geomecánica y geológico-estructural de los túneles

evaluados en este trabajo se generaron las siguientes conclusiones:

Pese a que a gran escala la Cordillera Central es considerada como una misma

unidad hidrogeológica, cada zona dentro de ella debe analizarse como una

unidad independiente puesto que se ve influenciada por rasgos y procesos

tectónicos diferentes y que no son globales para toda el área de estudio de la

investigación.

Con la caracterización geomecánica y geológico-estructural es posible identificar

de manera cualitativa las zonas más vulnerables a las infiltraciones en un túnel,

partiendo de un adecuado levantamiento de datos. Es necesario que las

discontinuidades en campo sean descritas cuidadosa y sistemáticamente para

que los resultados obtenidos a partir del procesamiento de estos parámetros sean

realmente representativos del macizo rocoso. Con tal fin, se pueden emplear


métodos estandarizados para la descripción cuantitativa de las discontinuidades

en la masa de roca, como el desarrollado por la ISRM.

Existe una relación entre la dirección de las principales fallas y dirección principal

del fracturamiento de la roca. Mediante la interpretación de información

secundaria como los lineamientos fotogeológicos y la dirección de los drenajes,

es posible tener un indicio preliminar de la dirección preferencial de las

discontinuidades en profundidad, parámetro que controla la anisotropía de la

permeabilidad en la roca.

Los valores del índice Q de Barton no son lo suficientemente representativos para

determinar fracturas hidráulicamente conductivas. Para el proyecto Providencia III

no logró establecerse una clara correlación valida entre este índice y las

discontinuidades con infiltraciones.

Las cizallas mostraron ser más representativas para las infiltraciones que otro tipo

de discontinuidades como las foliaciones, diques o diaclasas.

Con la estimación de la dirección preferencial de los esfuerzos principales del

macizo, es posible predecir la dirección principal de fracturamiento en

profundidad. Para aplicar la metodología de cálculo de los esfuerzos es necesario

disponer de la suficiente información para identificar las familias de

discontinuidades de mayor concentración en el macizo rocoso. Debe tenerse

presente que la evaluación de los esfuerzos principales con base en tendencias

estructurales pueden generar varios posibles resultados. Para poder tomar la

decisión mas apropiada es necesario disponer de información como la generada

por la instrumentación geotécnica.

Para la caracterización de discontinuidades hidráulicamente conductivas, es

posible emplear metodologías como la de estimación de peso hidráulico sugerida

por de Chica (1979). Esta metodología sirve para identificar las zonas de mayores

influjos y realizar un cálculo relativo del valor de la permeabilidad, partiendo de la

definición de parámetro como la rugosidad, abertura, continuidad y densidad de

fracturamiento. Cabe resaltar, que las hipótesis obtenidas con esta metodología

deben probarse mediante herramientas geofísicas, pruebas de bombeo o ensayo

lugeon, ya que las fracturas en superficie se ven alteradas por los procesos de

meteorización y exhiben una variabilidad natural, por lo que pueden no ser

representativas de las condiciones en profundidad.

Conclusiones y Recomendaciones 147

Las zonas de contacto entre rocas poseen mayores probabilidades de presentar

fugas en el túnel, lo cual depende de características como orientación, material de

relleno, rugosidad y abertura.

Las discontinuidades presentadas en zonas de suelos más permeables y

cercanas a fuentes de agua superficiales son zonas más vulnerables a presentar

filtraciones

A diferencia de los otros dos proyectos de estudio, los resultados de Providencia

III mostraron que no existe una relación lineal entre la profundidad y el porcentaje

de datos con infiltraciones. Motivo por el cual no debe asumirse que la

permeabilidad siempre disminuye al aumentar la profundidad, entendiendo que

esta puede verse afectada por otros factores como fallas, la orientación de las

discontinuidades, la densidad de fracturamiento, etc.

Los registros de perforaciones pueden proporcionar evidencias de flujo de agua a

través de las discontinuidades por medio de la presencia de óxidos de hierro y

adicionalmente permiten comprobar niveles de agua. Su principal inconveniente

es que solo son representativos para el punto en que se realizan. Se recomienda

emplear medidas de orientación de núcleos, los cuales muestran las direcciones

predominantes del flujo.

Para lograr un entendimiento completo del sistema hidrogeológico en profundidad

es necesario emplear varios métodos de análisis, con la finalidad de que su

interpretación permita diseñar el plan de exploración, para el cual los puntos

seleccionados puedan tener una información más representativa, que pueda

aportar al modelo numérico y que adicionalmente puede contribuir a que sea un

programa menos costo.

Mientras mas se disponga de información, se van a obtener mejores resultados

en las interpretaciones necesarias para comprender el sistema hidrogeológico

Es necesario emplear varios métodos de análisis y comprobar su valides

mediante los ensayos

Parte de la mitigación de las infiltraciones en túneles depende de los métodos

constructivos, pero es el conocimiento real del impacto de la obra en el entorno, la

herramienta principal para la toma de decisiones. Un resultado acertado de las

predicciones obedecen a un adecuado planteamiento del modelo hidrogeológico

conceptual; a partir de éste saldrán las variables de entrada e hipótesis para que el


modelo numérico sea lo más cercano posible a la realidad. Sin embargo, debe

comprenderse que un modelo es una representación hipotética, que permite la valoración

de algunas condiciones y cuyo grado de validez no terminará nunca de ser exacto sin la

caracterización primaria suficientemente detallada. Por tal motivo, la caracterización

geológica es una herramienta para la disminución de la incertidumbre.

Con la metodología planteada se establecen los componentes necesarios que se deben

desarrollar para poder obtener las tres etapas del modelo hidrogeológico conceptual

(definir las unidades hidroestratigráficas, definir las zonas de recarga y descarga y definir

el sistema de flujo), para un medio fracturado, enfocado a determinar las zonas de

influjos generados por la excavación de un túnel

Con esta propuesta metodológica, es posible desarrollar los componentes del análisis

hidrogeológico, no solo para túneles dentro de la Cordillera Central, sino también en otros

ambientes geológicos de medios fracturados, ya que los planteamientos realizados con

base a la investigación trataron aspectos generales y que pueden ser aplicados según la

zona a estudiar.

6.2 Limitaciones

Se presentan las limitaciones de la investigación:

La presentación de datos estructurales y otro tipo de información en los túneles

de los proyectos trabajados no fue la misma.

Ninguno de los túneles evaluados contó con los suficientes datos estructurales

levantados en superficie que permitieran mejorar las interpretaciones y comparar

su capacidad de predecir el comportamiento en profundidad.

No fue posible validar la hipótesis de que el flujo en rocas ígneas es menor al que

se presenta en rocas sedimentarias o metamórficas, debido a que los datos de

infiltraciones entre los tres proyectos no eran comparables por ser datos

cualitativos.

No se contó con información de perforaciones en los proyectos Carlos Lleras y

Porce III, o ensayos de geofísica para ninguno de los proyectos, que permitieran

demostrar su capacidad para pronosticar las fugas de agua en el túnel.

Conclusiones y Recomendaciones 149

Los valores de Q pueden no ser representativos para las discontinuidades con

flujo ya que se tomaron por tramos de 10 m en el túnel de proyecto hidroeléctrico

Providencia III y Carlos Lleras Restrepo, y por rangos en las galerías de Drenaje

de Porce III.

6.3 Recomendaciones

Para posteriores investigaciones se sugiere realizar la comparación entre un mapeo

superficial con mayor detalle y el mapeo subterráneo del túnel, que cuente con registros

cuantitativos de las infiltraciones. Así mismo, se sugiere comparar la metodología de

levantamiento de datos estructurales de Chica (1979) para identificar el rango de error de

la ecuación, ante la influencia de la meteorización de la roca.

Para comprender mejor el sistema hidrogeológico se recomienda recolectar tanta

información como sea posible, para cada una de las componentes del modelo

hidrogeológico y partir de la información preliminar para escoger los puntos y sitios para

la prospección y evaluación in situ de los parámetros de hidráulicos del acuífero.

Un levantamiento estructural organizado y detallado permitirá comprender mejor el medio

geológico en el cual se trabaja.

Nuevas investigaciones deberán incluir la estimación de la recarga en suelos tropicales.

A. Anexo: Base de datos del levantamiento geotécnico y geológico-estructural


Título de la tesis o trabajo de investigación

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