Transcript 2 Estado del arte de estudios hidrogeológicos

Experiencia internacional en estudios hidrogeologicos para túneles
Medellin, 8 febrero 2013
ESTADO DEL ARTE DE LOS ESTUDIOS
HIDROGEOLÓGICOS APLICADOS A OBRAS
SUBTERRÁNEAS
Interferencia entre túneles y acuíferos:
métodos analíticos y empíricos de predicción, valoración de la afectación de los recursos
hídricos
Antonio Dematteis
PhD, Hidrogeólogo
Estado del arte de los estudios hidrogeológicos aplicados a
obras subterraneas. Antonio Dematteis, PhD, hidrogeólogo
Experiencia internacional en estudios hidrogeologicos para túneles
Medellin, 8 febrero 2013
Contenido de la presentación
1. Problemas relacionados con el ingreso de agua en el túnel: riesgos en fase de
excavación
2. Referencia europea en materia de agua y medio ambiente
3. Grupo de trabajo IAH para la definición de la “gestión sostenible del agua en los túneles”
4. Las etapas del estudio hidrogeológico (experiencia internacional)




Definición del modelo geológico e hidrogeológico de referencia
Cuantificación de la fiabilidad de las previsiones geológicas (R-INDEX)
Predicción del flujo de agua en el túnel
Predicción de impacto sobre los acuíferos y análisis hidrogeológico de la probabilidad
de afectación del caudal de los manantiales (DHI)
 Estudios de factibilidad para la reutilización y aprovechamiento del agua drenada en el
túnel
 Búsqueda de soluciones para compensar la afectación de los recursos hídricos
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ANÁLISIS DEL RIESGO EN FASE DE EXCAVACIÓN
Ocurrencia de una o más manifestaciones hídricas
no previstas o no cuantificadas correctamente
RESGO TÉCNICO - CONSTRUCTIVO
y en consecuencia
FINANCIERO
RIESGO AMBIENTAL
Con eventuales consecuencias de tipo
TÉCNICO / POLÍTICO / FINANCIERO
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RIESGO TÉCNICO - CONSTRUCTIVO
Condiciones de
trabajo dificil y
problemas de
seguridad
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RIESGO TÉCNICO - CONSTRUCTIVO
Inundaciones del
túnel y paralización
del avance
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RIESGO TÉCNICO - CONSTRUCTIVO
Evolution des avancemments et des débits
1000
200
900
180
PM
800
160
140
600
120
500
100
400
80
300
60
200
40
100
20
0
22/07/02
Débit (l/s)
PM (m)
Débit au portail (l/s)
700
0
10/09/02
30/10/02
19/12/02
07/02/03
29/03/03
18/05/03
07/07/03
26/08/03
15/10/03
04/12/03
Afectación del avance en el túnel de Modane
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RIESGO AMBIENTAL
Existe una dificultad real para
evitar el drenaje en túneles
profundos.
En presencia de cargas
hidráulicas elevadas no es
factible construir revestimientos
completamente impermeables.
Con presiones de agua
superiores a 10 bares el agua
subterránea es drenadas por el
túnel.
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RIESGO AMBIENTAL
El drenaje del agua en el túnel
genera una disminución de la
presión hidráulica en el macizo
rocoso interceptado.
Este efecto puede causar un
abatimiento del nivel freático y
una consecuente afectación a
los recursos hídricos.
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NORMAS DE REFERENCIA EUROPEAS EN TEMAS
DE AGUA Y AMBIENTE
 Directivas de la Comunidad Europea:
 08/105/CE: standard de calidad ambiental en el sector de la política del agua
 00/60/CE del 23 octubre 2000: acción comunitaria en materia de agua
 91/271/CE del 21 maggio 1991: tratamiento de agua residuales
 98/83/CE del 3 noviembre 1998: calidad del agua destinada al consumo humano





Italia: Decreto Legislativo 152/06 “texto único ambiental”
Francia: 92-3/92 “Loi sur l’Eau”
Suiza: 24/01/91“Loi sur l’Eau”
Austria: BGBI 215/59 e BGBI 74/97
Spaña: Real Decreto 1514/2009 e R.D.L. 1/2001 texto refundido “Ley de Aguas”
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Grupo de trabajo IAH para la definición de la
“gestión sostenible del agua en los túneles”
Established by the Italian chapter of IAH
on 20/06/2012
Chairman: A. Dematteis
Italian Chapter of the International Association of hydrogeologists (IAH)
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Las etapas del estudio hidrogeológico
Water Management in Tunnelling (WATERMAT )
1.
2.
3.
4.
Definición del modelo geológico de referencia
Cuantificación de la confiabilidad de las previsiones geológicas
Previsión de la presencia de agua dentro del túnel
Previsión de los impactos hidrogeológicos sobre los acuíferos y
análisis de la probabilidad de afectación de los manantiales
5. Estudios de confiabilidad para la reutilización y valoración del agua
drenada en el túnel
6. Identificación de soluciones de compensación por la afectación de los
recursos hídricos
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Cuales son las características de los flujos de agua en los túneles?
•
•
Generalmente la mayor parte del agua proviene de zonas bien circunscritas (fallas – horizontes de
disolución química)
Los flujos picos de grandes avenidas pueden variar entre lso 50 y los 1000 l/s
Discharge 50 l/s
Overburden 350m
Cuales son los
parámetros
hidrogeológicos que más
influyen en las avenidas
de agua dentro de los
túneles ?
•
•
•
Permeabilidad
Carga hidráulica
Recarga de los acuíferos al nivel del
túnel (quota galleria)
Rio Taquesi Hydroelectric project (La Paz)
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Caliza dolomítica, K media (10-7 - 10-8 m/s)
Esquistos
cuarzo
micáceos
K baja
10-8 - 10-9 m/s
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Cuarcitas
K media
(10-7 m/s)
túnel feroviario
LTF, Modane,
Francia
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Anhidritas
K muy baja
(10-9-10-11 m/s)
túnel feroviario
LTF, Modane,
Francia
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Modelo
hidrogeológico
en
zonas de fallas
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Zona de falla
Tectonic
protobreccia
Tectonic
microbreccia
túnel feroviario
BBT, Innsbruck,
Austria
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Zonas de
disolución y
karstificación
Central
Hidroeléctrica
Angostura,
Bio Bio,Chile
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Las etapas del estudio hidrogeológico
Water Management in Tunnelling (WATERMAT )
1.
2.
3.
4.
Definición del modelo geológico de referencia
Cuantificación de la confiabilidad de las previsiones geológicas
Previsión de la presencia de agua dentro del túnel
Previsión de los impactos hidrogeológicos sobre los acuíferos y
análisis de la probabilidad de afectación de los manantiales
5. Estudios de confiabilidad para la reutilización y valoración del agua
drenada en el túnel
6. Identificación de soluciones de compensación por la afectación de los
recursos hídricos
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Túnel de
prospección
de Modane
Proyecto LTF,
Francia
Cuarcitas miloníticas
Esquisto micaceo milonítico
Cargneules
S3
S3
S1
S1
S2
S2
S1
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The Reliability Index - R-Index (www.seaconsult.eu)
1. Investigation Parameters
Drillholes Quality (IQdr)
Geological Mapping Quality (IQgm)
Gephysical investigations Quality (IQge)
2. System Parameters
Complexity of lithostratigraphical setting (LC)
System parameters depend from the
complexity of the natural system to be
excavated. Their influence on the
reliability of forecast is independent
from human analyses accuracy.
Complexity of structures related to brittle deformation (BC)
Complexity of structures related to ductile deformation (DC)
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The Reliability Index - R-Index (www.seaconsult.eu)
Computation procedure
The R-index is calculated for each 100m individual stretches in which a tunnel can be subdivided
The physical significance of the R-index has been established by studying case histories of tunnels that have
been already constructed. This also allowed a validation of the ratings attributed to the parameters which
control the index.
R-Index
Significance
10.0 – 7.6
Good reliability: the geological limits and faults reported in the stretch are certainly present and will be
encountered within a range of ± 25-50 m; the thickness of lithological levels can have an error of 10-20%.
7.5 – 5.1
Fair reliability: the geological limits and faults reported in the stretch are certainly present and will be
encountered within a range of ± 50-100 m; the thickness of lithological levels can have an error of 30-50%.
Some minor fault out of those forecasted could be present
5 – 2.6
Poor reliability: the geological limits and faults reported in the stretch are certainly present and will be
encountered within a range of ± 100-200 m; the thickness of lithological levels can have an error of 50100%. Some main fault out of those forecasted could be present
2.5 – 0
Not reliable: the geological limits and faults reported in the stretch could be absents and other elements
could be presents the thickness of lithological levels is unconstrained. Other geological elements out of
those forecasted could be present.
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Las etapas del estudio hidrogeológico
Water Management in Tunnelling (WATERMAT )
1.
2.
3.
4.
Definición del modelo geológico de referencia
Cuantificación de la confiabilidad de las previsiones geológicas
Previsión de la presencia de agua dentro del túnel
Previsión de los impactos hidrogeológicos sobre los acuíferos y
análisis de la probabilidad de afectación de los manantiales
5. Estudios de confiabilidad para la reutilización y valoración del agua
drenada en el túnel
6. Identificación de soluciones de compensación por la afectación de los
recursos hídricos
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obras subterraneas. Antonio Dematteis, PhD, hidrogeólogo
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Flujo pico, transitorio y estabilizado
Caudal de pico: en los
primeros momentos que
siguen a la intercepción del
flujo la disminución del
caudal se da rápidamente
Cuadales no
estabilizados o
provisionales: la parte
descendente en la zona
central de la curva
(MAILLET, 1905)
Cuadal estabilizado:
después de un cierto
tiempo el caudal tiende
asindóticamente hacia la
estabilización o
desaparación total
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Métodos de previsión de los flujos de agua
 ENFOQUE EMPÍRICO
Se basa en la reconstrucción hidrogeológica en eje o al lado de la obra y sobre los
datos de permeabilidad y carga hidraúlica medida en los sondeos
 ENFOQUE ANALÍTICO
Fórmulas derivadas de la ley de Dupuit que pueden proveer valoraciones en
régimen estabilizado y en régimen transitorio
 VERIFICACIÓN DE LA RECARGA
balance hidrogeológico inverso medio en la cuenca de recarga influenciada por el
túnel. Este método se basa esencialmente en datos climáticos (lluvias,
evapotranspiración) y sobre datos geológicos (permeabilidad de los terrenos
aflorantes, pendiente de las laderas, coeficiente de escorrentía superficial)
 MODELOS NUMÉRICOS 2D Y 3D
Simulación matemática computarizada, basada en modelos hidrogeológicos
conceptuales (distribución geométrica de los sistemas de flujos) y sus parámetros
derivados de pruebas experimentales «in situ» (permeabilidad, carga hidráulica,
temperatura, …)
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obras subterraneas. Antonio Dematteis, PhD, hidrogeólogo
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Enfoque analítico para el cálculo del caudal
En régimen permanente en un medio semi-infinito con un límite de recarga impuesto a presión atmosférica
•
•
•
•
•
•
Q es el caudal drenado en el túnel
K es la permeabilidad de la formación interceptada por el túnel
l es la longitud del tramo de acuífero interceptado por el túnel
r0 es el radio del túnel
L es la profundidad del túnel bajo el nivel piezométrico constante
dz es la diferencia de cota entre el túnel y el punto donde el
acuífero considerado alcanza la superficie de recarga
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Enfoque de la verificación de la recarga para el cálculo del caudal
I = P - Etr - R
Lluvia
(P)
Evapotranspiración
(ETR)
La gestión G.I.S.
de los datos y del
cálculo
Escorrentía
(R)
=
Infiltración
(I)
La cantidad de agua que se infiltra (I)
representa el máximo teórico posible
de alimentación del túnel
De manera conservadora se asume
que el 80% puede alcanzar el túnel
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Metodos de previsión
Comparación entre los enfoques y selección del método
Caudal de
pico
Estimación empírica
Régimen
transitorio
X
Cálculo analítico
X
Verificación de la recarga
Modelos numéricos 2D y
3D
X
X
Régimen
estabilizado
Rapididez de
análisis
X
rápido
X
semi-rápido
X
lento
X
muy lento
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Las etapas del estudio hidrogeológico
Water Management in Tunnelling (WATERMAT )
1.
2.
3.
4.
Definición del modelo geológico de referencia
Cuantificación de la confiabilidad de las previsiones geológicas
Previsión de la presencia de agua dentro del túnel
Previsión de los impactos hidrogeológicos sobre los acuíferos y
análisis de la probabilidad de afectación de los manantiales
5. Estudios de confiabilidad para la reutilización y valoración del agua
drenada en el túnel
6. Identificación de soluciones de compensación por la afectación de los
recursos hídricos
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Drawdown Hazard Index
Fracture
Frequency
1
High fracture
frequency 
high permeabil.
High fract. freq.
 increased
plastic zone
High fracture
freq.  high
inflow potential
High permeab
 high inflow
potential
Rock Mass
Permeability
s
s
unit c
2
unit a
High overburden
 low
permeability
s
unit b
3
Plastic zone
 new
discontinuities
Overburden
High
overburden
High
in-situ
 increase
str.
 larger
plastic
plastic zone
zone
Plastic
Zone Radius
Large plastic
zone  high
inflow potential
Potential of
Inflow

50%
40%
41
%
30%
Main faults
intersection

22%
17
%
20%
water-point type

20%
Distance from
the tunnel
=
10
%
0%
FF
MK
OV
Drawdown
Hazard Index
(DHI)
PZ
DHI=(41*FF + 22*MK + 17*OV + 20*PZ)*IF*ST*DT
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Mapeo DHI
(Drawdown
Hazard Index),
Túnel ferroviario
del Pertus
frontera FranciaEspaña
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Las etapas del estudio hidrogeológico
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1.
2.
3.
4.
Definición del modelo geológico de referencia
Cuantificación de la confiabilidad de las previsiones geológicas
Previsión de la presencia de agua dentro del túnel
Previsión de los impactos hidrogeológicos sobre los acuíferos y
análisis de la probabilidad de afectación de los manantiales
5. Estudios de confiabilidad para la reutilización y valoración del
agua drenada en el túnel
6. Identificación de soluciones de compensación por la afectación de los
recursos hídricos
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Aprovechamiento
del
agua
para
usos
industriales, agrícolas, potables, hidroeléctricos
y geotérmicos
1. El caudal decrece en función del tiempo, del 30% al
50% en operación
2. El agua encontrada en los túneles es generalmente de
buena calidad y potabilidad
3. La viabilidad económica de la valorización existe si el
aprovechamiento se prevé desde la fase de diseño
4. La tecnología de captación del agua dentro del túnel es
bien conocida y consolidada, el límite lo representan:
• Vacio normativo que regule la captación en túneles
• La servidumbre que la captación y conducción
implican para un tunel generalmente destinado a
otro uso
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Cunicolo radiale
Cunicolo longitudinale
Validez polifuncional del túnel piloto del BBT:
• Durante la excavación de los túneles
principales: función logística (transporte de la
rezaga con cinta transportadora y
aprovisionamiento del material con 2 trenes
shuttle)
• En operación: función de drenaje
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Las etapas del estudio hidrogeológico
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2.
3.
4.
Definición del modelo geológico de referencia
Cuantificación de la confiabilidad de las previsiones geológicas
Previsión de la presencia de agua dentro del túnel
Previsión de los impactos hidrogeológicos sobre los acuíferos y
análisis de la probabilidad de afectación de los manantiales
5. Estudios de confiabilidad para la reutilización y valoración del agua
drenada en el túnel
6. Identificación de soluciones de compensación por la afectación
de los recursos hídricos
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El proceso
Los tipos de soluciones
1. Solución de emergencia - operativa en pocas horas
2. Soluciones provisionales - operativa in fase de excavación
3. Soluciones definitivas
- terminada al final de los trabajos de excavación del túnel
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