FLUJO SUBTERRANEO, HIDROGEOLOGIA

ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE
INGENIERÍA GEOLÓGICA
FLUJO SUBTERRÁNEO HORIZONTAL
CURSO:
HIDROGEOLOGÍA
DOCENTE:
ING. BELTRÁN
ALUMNOS:
PACHAMANGO CALDERON, Freddy Wilson
CICLO:
VII
Cajamarca septiembre de
2018
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENÍERIA GEOLÓGICA
INTRODUCCIÓN
La medida de flujos en sondeos con trazadores artificiales tiene una importancia excepcional en la
investigación de fugas de lagos y embalses. Generalmente, las obras que se realizan para eliminar o reducir
estas fugas consisten en la impermeabilización de las estructuras geológicas a través de las cuales circula el
agua que escapa del embalse. Por tanto, para poder llevar a cabo estas obras de impermeabilización con
suficiente garantía de éxito y de la forma menos costosa posible, es fundamental conocer la localización exacta
de los flujos subterráneos que conectan el embalse con los afloramientos.
La forma más directa para obtener esta información es a través de los ensayos para la localización y medida
de los flujos interceptados por los sondeos, que se describen en el presente artículo. Obviamente, tanto la
medida de perfiles de temperatura, conductividad, como los ensayos de permeabilidad que se realizan
frecuentemente durante la perforación de los sondeos y los perfiles de testificación geofisica, son
herramientas complementarias, que contribuyen a mejorar la calidad de la información obtenida. Como se
verá más adelante, las técnicas que se utilizan para la localización y medida de flujos en sondeos son muy
diversas.
Para que estas técnicas puedan aplicarse, se precisa disponer de sondeos, a través de los cuales el agua pueda
circular, más o menos, libremente, es decir, sondeos no entubados, si la litología del terreno lo permite, o
sondeos revestidos con tubería ranurada a lo largo de todo el tramo abarcado por la zona saturada. Para
definir el espesor del tramo ranurado, deben tenerse en cuenta la elevación lógica del nivel piezométrico, que
se produce cuando aumenta el nivel de llenado del embalse. Por tanto, lo mejor es ranurar todo el tramo
situado a una cota inferior a la cota de máximo llenado del embalse. El número de ranuras debe ser tal que el
porcentaje de superficie ranurada se encuentre comprendido entre 0,5 y 3%, con el objeto de que la
permeabilidad del tubo de revestimiento sea elevada.
El diámetro interno ideal de los sondeos es de 3 ó 4 pulgadas, si bien todos los ensayos que se describen más
adelante pueden realizarse también en sondeos de 2 pulgadas de diámetro interno. Por razones obvias, los
piezómetros provistos de tubería ranurada sólo en los 2 ó 3 últimos metros no son apropiados, si bien, en
algunos casos, pueden proporcionar alguna información. Como es lógico, el flujo de agua existente en el
interior de un sondeo puede ser horizontal o vertical. Las técnicas para su medida por medio de trazadores
son diferentes, como se verá más adelante. Una característica general de los estudios de fugas de embalses
es la existencia de elevados gradientes hidráulicos derivados de las grandes diferencias de cota existentes
entre la superficie del agua embalsada y las surgencias. Como consecuencia de ello, pueden tenerse flujos muy
rápidos dificiles de medir con gran precisión. En realidad, para estudios de fugas de embalses, no se precisa
conocer con gran precisión la magnitud de los flujos que circulan a través de los piezómetros. Muchas veces,
es más importante conocer la localización precisa de los mismos y su continuidad a través de la formación
geológica, que los valores absolutos de los flujos.
Las técnicas de trazadores que se describen en este trabajo pueden llevarse a cabo con los siguientes
trazadores:
1) Solución saturada de sal común, efectuándose la me dida por medio de un conductivímetro provisto
de un cable de longitud suficiente. Por razones obvias, este trazador no resulta conveniente en el caso
de tener aguas fuertemente salinizadas, por ejemplo, con una conductividad mayor de unos 5 mS/cm.
2) Yodo-131, en cuyo caso la medida del mismo se rea liza por medio de sondas provistas de un
detector Geiger-Müller o de centelleo con cristal de INa(T1)
PÁG.
2
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENÍERIA GEOLÓGICA
2. MEDIDA DE LOS FLUJOS SUBTERRANEOS HORIZONTALES
2. 1. VELOCIDAD DE FILTRACIÓN
El caudal de agua Q que circula a través de una sección S de un acuífero, cuya porosidad es p, se relaciona
con la velocidad o,, a la cual se desplaza un trazador ideal adicionado al agua, por medio de la ecuación
siguiente:
Q = Vt· p ·S
El producto vt.p se denomina velocidad de filtración vf o velocidad Darcy, la cual viene definida por la
ecuación de este mismo autor vf = K.i, siendo K la permeabilidad expresada, por ejemplo, en metros/día e i el
gradiente hidráulico.
2.2. TEORIA DEL MÉTODO DE DILUCIÓN PUNTUAL
2.2.1 PRINCIPIO DEL MÉTODO
En el método de dilución puntual, la velocidad horizontal del flujo subterráneo se obtiene a partir de la
disminución de la concentración en función del tiempo del trazador inyectado en un determinado volumen
de un sondeo, como consecuencia del flujo que circula en dirección perpendicular al mismo.
El fundamento de este método fue expuesto por primera vez por Kocherin (1916), utilizando sal común
como trazador. Después, el método ha sido desarrollado: más ampliamente por otros autores (Guizerix et
al., 1963, Borowczyk et al., 1965 y 1967; Halevy, 1967; Moser y Neumaier, 1970; Baonza et al. 1970, Drost,
1983 y 1986) .
Supongamos que, en un tramo de la columna de agua de un sondeo de altura h y diámetro d, definido por
dos "packers" de cierre perfecto, se inyecta una cierta cantidad de trazador, dando una concentración inicial
Co. Se supone que se cumplen las siguientes condiciones:
a) El flujo de agua que circula a través del sondeo tiene un régimen estacionario.
b) En el volumen cilíndrico V=Õ d2/4 del tramo considerado, la distribución del trazador se conserva
homogénea, es decir, en cualquier momento, la concentración en todos los puntos de este volumen es la
misma. Ello implica que se cumple la condición de buena mezcla o de mezcla instantánea del agua que
penetra en el volumen V.
e) La salida del trazador del volumen V sólo tiene lugar como consecuencia del flujo horizontal del acuífero.
Esto implica la ausencia de flujo vertical y de pérdidas significativas de trazador por difusión osmótica, es
decir difusión derivada del gradiente de concentración existente entre el agua del sondeo y el agua del
acuífero. En tales condiciones, la concentración de trazador en el volumen V disminuye en función del
tiempo según la ecuación diferencial siguiente:
PÁG.
3
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENÍERIA GEOLÓGICA
[2]
El término dV/dt = Q representa el caudal de agua que circula a través de la sección S=h·d. Integrando la
ecuación (2), se tiene:
[3]
donde Co es la concentración inicial de trazador en el volumen V y C, la misma al cabo del tiempo t. Si se tiene
en cuenta que el caudal Q es igual al producto vs·S, siendo o, la velocidad del flujo que circula, dentro del
sondeo a través de la sección S y que el volumen V equivale a V= Õd2h / 4, se llega a la expresión siguiente:
[4]
Por otra parte, la velocidad dentro del sondeo o, se relaciona con la velocidad de filtración por medio de la
expresión a - v, siendo a un coeficiente que es necesario introducir debido a la perturbación hidrodinámica
ocasionada por el sondeo en el flujo subterráneo.
El valor de este coeficiente puede calcularse o estimarse a partir de los datos constructivos del sondeo y de
las permeabilidades del acuífero, relleno de grava y tubería de revestimiento. Su valor suele variar entre 1 y
4.
Tomando para la relación Co/Ct un valor igual a 10, se llega a la expresión:
[5]
donde t1/10 es el tiempo necesario para que la concentración de trazador en el volumen V de reduzca al 10%
de su valor inicial, es decir, para que se cumpla Co/Ct = 10. La ecuación anterior es una fórmula práctica que
permite determinar vf en función de t1/10 Este último tiempo se determina experimentalmente midiendo la
variación de la concentración en función del tiempo por medio de un detector apropiado situado dentro del
volumen V del sondeo.
PÁG.
4
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENÍERIA GEOLÓGICA
2.3. TÉCNICA EXPERIMENTAL
Los equipos construidos para la medida de la velocidad del flujo horizontal usan dos obturadores para definir
el volumen V, en el cual se inyecta el trazador, y evitar, al mismo tiempo, el efecto de un posible flujo vertical,
que pueda existir dentro del sondeo. El esquema básico de estos equipos se muestra en la figura 1.
FIGURA 1. Esquema ilustrativo del equipo utilizado para el ensayo de dilución puntual de sondeos
Todos los equipos desarrollados utilizan, como trazador, un material radiactivo, generalmente, 131I o 82 Br.
La técnica de medida consiste en situar el equipo a la profundidad deseada en la que se desea medir el flujo
subterráneo, inflar los obturadores, inyectar el trazador y medir la curva de dilución (concentración en función
del tiempo) durante un tiempo suficientemente largo para que sea posible la determinación precisa del
parámetro t1/10 .
El sistema de agitación garantiza la existencia de buen mezclado en el volumen de medida. La inyección del
trazador puede hacerse por diversos procedimientos, por ejemplo, utilizando una bomba inyectora de
miniatura incorporada al equipo o con un tubo que conecta con la superficie.
2.4. FACTORES LIMITANTES
El método de dilución puntual, tal como se ha descrito anteriormente, tiene varios inconvenientes
que dificultan su aplicación práctica y que limitan las posibilidades de aceptación de la técnica.
Los más importantes son los siguientes:
1) El método es demasiado puntual, debido a lo cual sólo en casos excepcionales es posible
obtener valores realmente representativos de la velocidad del flujo subterráneo.
2) La utilización de obturadores no garantiza de forma segura la ausencia de flujos verticales.
PÁG.
5
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENÍERIA GEOLÓGICA
Estos pueden circular entre la tubería de revestimiento y el terreno, así como a través del relleno
de grava en caso de que exista. Estos flujos interfieren también en la medida.
3) La utilización de material radiactivo constituye un serio inconveniente. A pesar de que las
actividades necesarias son mínimas, en la mayoría de los países, se precisa una autorización para
su uso. Incluso, en algunos países, el equipo no sería autorizado. Sin embargo la técnica puede
utilizarse también con un trazador salino (sal común).
4) Los equipos sólo pueden utilizarse en sondeos perforados específicamente para los mismos
porrazones
de
diámetro
y
ranurado
de
la
tubería
de
revestimiento.
5) La técnica no funciona correctamente en el caso de acuíferos de rocas fracturadas. El
coeficiente a no queda claramente definido, debiendo utilizarse, tal vez, un valor igual a 1.
2.5. MÉTODO BASADO EN El MARCADO DE TODA LA COLUMNA
2.5.1. Técnica experimental
Se trata, en este caso, de un método muy simple, que permite obtener información rápida
cualitativa y, a veces, semicuantitativa sobre los flujos existentes a lo largo de la columna de
agua del sondeo. La técnica ha sido desarrollada, principalmente, por los autores de este
trabajo y aplicada, desde hace más de 25 años, en un número de sondeos mayor de 5000. El
método se basa en el marcado de toda la columna de agua del sondeo con uno de los
trazadores indicados en el apartado 1.
El procedimiento de marcado se ilustra en la figura 2A. Una manguera de plástico de 8 a 10 mm
de diámetro interior se introduce hasta el fondo del sondeo, ayudándose, para su introducción,
de un pequeño lastre colgado de su extremo inferior.
FIGURA 2. Métodos de marcado de toda la columna de agua en sondeos
La manguera se encuentra abierta por ambos extremos. Por el extremo superior de la manguera,
se inyecta un volumen de la solución de trazador igual al volumen interno de la misma, medido
desde el nivel piezométrico hasta el fondo del sondeo. A continuación, se extrae lentamente la
PÁG.
6
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENÍERIA GEOLÓGICA
manguera a una velocidad, aproximadamente, constante, con lo cual el trazador queda distribuido
uniformemente a lo largo de la columna de agua.
La inyección puede hacerse, simplemente, por gravedad o bien por medio de una pequeña bomba.
Supongamos que se utiliza como trazador una solución saturada de sal común, cuya solubilidad
en agua es de unos 350 g/l.
La conductividad aproximada de esta solución es 467 mS/cm. Por otra parte, la sección interna
de la manguera de 1 cm de diámetro es 0,785 cm'. Si la inyección se realiza en un sondeo de 6
cm de diámetro, cuya sección es 28,3 cm2, la dilución que se produce asciende a 28,3/0,785=36.
Por tanto, la conductividad del agua del sondeo se incrementará en un valor de 467/36=13
mS/cm. Este aumento de conductividad es suficiente para realizar el ensayo con comodidad si la
conductividad inicial del agua del sondeo es inferior a unos 5 mS/cm.
Si se trata de un sondeo de gran diámetro, caso poco frecuente en estudios de fugas de embalses,
puede ser necesario utilizar una manguera de diámetro mayor o bien realizar la inyección del
trazador por medio de una bomba peristáltica.
En este caso, se calcula primero el volumen de solución de sal común que se precisa inyectar en
el sondeo para, que una vez distribuido por toda la columna, se alcance la conductividad deseada.
Este volumen de solución se coloca dentro de un tanque o recipiente apropiado y se inyecta por
medio de la bomba, desplazando la manguera verticalmente hacia arriba y hacia abajo hasta que
todo el volumen haya sido inyectado. La técnica no precisa que la distribución del trazador sea
perfecta. Una vez realizada la inyección del trazador, se inician las medidas de sucesivos perfiles
de concentración barriendo toda la columna con el detector en saltos de, por ejemplo, 1 o 2
metros, o bien de forma continua si se dispone de un equipo accionado con un motor.
La frecuencia de los perfiles tiene que ser elegida de acuerdo con la velocidad de dilución del
trazador. Lo normal es comenzar con una frecuencia muy alta, por ejemplo, cada 5 minutos, la
cual se modifica posteriormente en función de la velocidad de dilución del trazador.
El método que se ilustra en la figura 2B se utiliza cuando la velocidad del flujo subterráneo es tan
elevada, que la mayor parte del trazador escapa del sondeo en el intervalo de tiempo que
transcurre entre la extracción de la manguera y la introducción de la sonda de medida. Esto
ocurre con cierta frecuencia en estudios de fugas de embalses, debido a los elevados gradientes
hidráulicos que suelen existir.
En este caso, se introduce en el sondeo la sonda de medida y la manguera de inyección unidas
por medio de una cinta adhesiva. El extremo inferior de la manguera se sitúa por encima del
detector a una distancia de éste de, por ejemplo, 2,5 metros, tal como se indica en la figura.
La manguera se llena de solución de trazador de la misma forma indicada anteriormente. A
continuación, se eleva el conjunto manguera y detector en un tramo de 5 metros. Cuando se hace
esto, se marca un tramo de columna de agua del sondeo igual, asimismo, a 5 metros y el detector
queda situado, aproximadamente, en el centro del tramo marcado.
Manteniendo fijos en esta posición la manguera y el detector, se mide el cambio de la
concentración de trazador en función del tiempo. Como el flujo es muy rápido, el trazador escapa
al cabo de unos minutos. Una vez finalizada la medida, se eleva el conjunto manguera y detector
otros 5 metros y se repite la medida. El proceso se continúa del mismo modo hasta barrer todo
el tramo afectado por el flujo rápido.
PÁG.
7
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENÍERIA GEOLÓGICA
PÁG.
8