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 túnelesMedellin, 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 DematteisPhD, Hidrogeólogo



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

Contenido de la presentación



Ocurrencia de una o más manifestaciones hídricasno previstas o no cuantificadas correctamente

RESGO TÉCNICO - CONSTRUCTIVOy en consecuencia

FINANCIERO

RIESGO AMBIENTALCon eventuales consecuencias de tipo

TÉCNICO / POLÍTICO / FINANCIERO

ANÁLISIS DEL RIESGO EN FASE DE EXCAVACIÓN



RIESGO TÉCNICO - CONSTRUCTIVO

Condiciones de trabajo dificil y problemas de seguridad



Inundaciones del túnel y paralización del avance




Evolution des avancemments et des débits

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

22/07/02 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

PM

(m

)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Dé

bit

(l/

s)

PM

Débit au portail (l/s)

Afectación del avance en el túnel de Modane




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.



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.

RIESGO AMBIENTAL



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”

NORMAS DE REFERENCIA EUROPEAS EN TEMAS DE AGUA Y AMBIENTE



Italian Chapter of the International Association of hydrogeologists (IAH)

Established by the Italian chapter of IAH on 20/06/2012Chairman: A. Dematteis

Grupo de trabajo IAH para la definición de la “gestión sostenible del agua en los túneles”



1. Definición del modelo geológico de referencia

2. Cuantificación de la confiabilidad de las previsiones geológicas

3. Previsión de la presencia de agua dentro del túnel

4. 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

Las etapas del estudio hidrogeológico

Water Management in Tunnelling (WATERMAT )



• 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

Cuales son las características de los flujos de agua en los túneles?

Discharge 50 l/sOverburden 350m

Rio Taquesi Hydroelectric project (La Paz)

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)



Caliza dolomítica, K media (10-7 - 10-8 m/s)

Esquistos cuarzo

micáceos

K baja10-8 - 10-9 m/s



Cuarcitas

K media(10-7 m/s)

túnel feroviario LTF, Modane,

Francia



Anhidritas

K muy baja(10-9-10-11 m/s)

túnel feroviario LTF, Modane,

Francia



Modelo hidrogeológico

enzonas de fallas



Tectonic microbreccia

Tectonic protobreccia

Zona de falla

túnel feroviario BBT, Innsbruck,

Austria



Zonas de disolución y

karstificación

Central Hidroeléctrica

Angostura,Bio Bio,Chile



Cargneules

Cuarcitas miloníticas Esquisto micaceo milonítico

S1

S1

S1S2 S2

S3

S3

Túnel de prospección

de Modane Proyecto LTF,

Francia



The Reliability Index - R-Index (www.seaconsult.eu)

Drillholes Quality (IQdr)

Geological Mapping Quality (IQgm)

Gephysical investigations Quality (IQge)

1. Investigation Parameters

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.

2. System Parameters Complexity of lithostratigraphical setting (LC)

Complexity of structures related to ductile deformation (DC)

Complexity of structures related to brittle deformation (BC)



R-Index Significance10.0 – 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 beencountered 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 beencountered within a range of ± 100-200 m; the thickness of lithological levels can have an error of 50-100%. 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 elementscould be presents the thickness of lithological levels is unconstrained. Other geological elements out ofthose forecasted could be present.

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.

The R-index is calculated for each 100m individual stretches in which a tunnel can be subdivided

Computation procedure

The Reliability Index - R-Index (www.seaconsult.eu)



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

Cuadal estabilizado: después de un cierto tiempo el caudal tiende asindóticamente hacia la estabilización o desaparación total(MAILLET, 1905)



ENFOQUE EMPÍRICOSe 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 ANALÍTICOFórmulas derivadas de la ley de Dupuit que pueden proveer valoraciones en régimen estabilizado y en régimen transitorio

VERIFICACIÓN DE LA RECARGAbalance 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 3DSimulación 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, …)

Métodos de previsión de los flujos de agua



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

Enfoque analítico para el cálculo del caudal



I = P - Etr - R

Enfoque de la verificación de la recarga para el cálculo del caudal

Evapotranspiración(ETR)

Escorrentía(R)

Lluvia(P)

Infiltración(I)

=

-

-

La gestión G.I.S. de los datos y del cálculo

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



Metodos de previsión

Comparación entre los enfoques y selección del método

Caudal de pico

Régimen transitorio

Régimen estabilizado

Rapididez de análisis

Estimación empírica X X rápido

Cálculo analítico X X semi-rápido

Verificación de la recarga X lento

Modelos numéricos 2D y 3D

X X X muy lento



Fracture Frequency

High in-situ str. larger plastic zone

Plastic Zone Radius

Overburden

Rock Mass Permeability

Plastic zone new

discontinuities

High overburden low

permeability

High overburden increase plastic

zone

High fracture frequency high

permeabil.

High fract. freq. increased plastic zone

Potential of Inflow

High fracture freq. high

inflow potential

High permeab high inflow

potential

water-point type

Distance from the tunnel

Drawdown Hazard Index

(DHI)

Main faults intersection

Large plastic zone high

inflow potential

=

unit aunit b

s

s

s

1

3

2unit c

41%

22% 17%

20%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

MK OV PZ FF

Drawdown Hazard Index

DHI=(41*FF + 22*MK + 17*OV + 20*PZ)*IF*ST*DT



Mapeo DHI (Drawdown

Hazard Index), Túnel ferroviario

del Pertusfrontera Francia-

España



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



Cunicolo radiale

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

Cunicolo longitudinale



El proceso

Los tipos de soluciones

1. Solución de emergencia - operativa en pocas horas2. Soluciones provisionales - operativa in fase de excavación

3. Soluciones definitivas - terminada al final de los trabajos de excavación del túnel

antonio dematteis phd, hidrogeólogo

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