Manual-lefranc-lugeon-completo--3-pdf-free

INDICE
Pagina
Contenido
1 Pruebas de permeabilidad de campo.
2 Consideraciones Teóricas...
3 Pruebas y Ensayos Lefranc
4 Suelos anisotrópicos. Instrucciones para pruebas Lefranc.
5 Perforación. Inyección de Gasto.
6 Pruebas Lefranc (Flujo Variable)
7 Pruebas Lefranc en terrenos someros
8 Análisis matemático para el cálculo del coeficiente de permeabilidad.
9 Ejecución y cálculo de pruebas de permeabilidad.
10 Prueba Le Franc Mandel.
11 Ensayos de Agua.
12 Prueba Lugeón.
13 Equipo, procedimiento y realización de Prueba Lugeon.
14 Permeabilidad en Boquillas.
15 Registro de campo. Gráficas para determinar las U.L.
16 Instrucciones sobre operaciones de campo para pruebas tipo Lugeon.
17 Instrucciones generales sobre operaciones de pruebas de permeabilidad
PRUEBAS DE PERMEABILIDAD DE CAMPO
INTRODUCCIÓN
Antes de la construcción de una estructura de tierra, es importante verificar que las
propiedades del suelo de la cimentación, sean las indicadas para garantizar la
estabilidad y funcionamiento adecuado de la obra. En algunos casos, dichas
propiedades pueden obtenerse en el laboratorio a partir de muestras inalteradas; sin
embargo, es frecuente que, al no poder obtener muestras inalteradas o
suficientemente representativas, se tenga que recurrir a pruebas de campo para el
mismo fin. Las pruebas de campo tienen que adaptarse a las particularidades de cada
obra y, en general, no es posible ni deseable establecer un procedimiento estándar
para su ejecución.
PRUEBAS DE PERMEABILIDAD DE CAMPO
Las pruebas de permeabilidad de laboratorio son útiles cuando la estructura que se
forma está formada por un material que puede considerarse homogéneo, isótropo, o
anisótropo, como en el caso del corazón impermeable de una cortina, construido con
la tierra de un banco de préstamo homogéneo. En cambio, en las formaciones
naturales, generalmente compuestas por mantos distintos, con variaciones
importantes tanto en la disposición de los mismos como en las características de los
materiales, es difícil estudiar el escurrimiento a partir de un número limitado de
ensayes sobre muestras inalteradas. En mantos de arena y grava es casi imposible
obtener especimenes inalterados. En estos casos es necesario recurrir a las pruebas
de campo.
El tipo de prueba de permeabilidad útil en cada caso particular depende de numerosos
factores, tales como tipo de material, localización del nivel freático y homogeneidad o
heterogeneidad de los distintos estratos del suelo, en cuanto a permeabilidad se
refiere.
En la tabla siguiente, tomando en cuenta ciertas características del problema bajo
estudio, se expone la aplicabilidad de los diversos tipos de pruebas de permeabilidad a
los suelos aluviales típicos de las boquillas de presas.
TABLA DE APLICABILIDAD DE LOS DIVERSOS TIPOS DE PRUEBAS DE
PERMEABILIDAD
Nivel
freático
Material
Prueba
lefranc
Bombeo con Bombeo con Absorción y Trazadores
medición del colocación de filtración
radiactivos
abatimiento
piezómetros
Por
Homogéneo
encima
del nivel
freático
Heterogéneo
Por
Homogéneo
debajo
del nivel
freático
Heterogéneo
micro molinete
X
X
X
X
X
X
X
X
Cada tipo de prueba se analiza con métodos de cálculo más o menos elaborados; sin
embargo, los resultados obtenidos de los diferentes métodos de interpretación, propios
a cada prueba, son semejantes; debe prestarse especial atención a la forma en que se
lleva a cabo el ensaye, ya que, dependiendo de los procedimientos utilizados, los
resultados pueden variar de forma significativa.
Además de las pruebas de permeabilidad mencionadas en la tabla anterior, se
presenta la prueba de permeabilidad Lugeon, generalmente usada para masas
rocosas.
INSTRUCCIONES GENERALES PARA LA EJECUCIÓN DE PRUEBAS DE
PERMEABILIDAD TIPO LEFRANC
INTRODUCCIÓN
Debido al gran desarrollo que últimamente ha tenido en nuestro país la construcción
de cortinas cimentadas sobre terrenos de aluvión, es de gran importancia investigar la
permeabilidad de dichos terrenos, sobre todo teniendo en cuenta que no son
formaciones homogéneas, sin, que, por el contrario, frecuentemente presentan una
heterogeneidad bien marcada, sobre todo en sentido vertical.
En estas condiciones puede ser conveniente investigar la permeabilidad horizontal en
diferentes horizontes, como dato adicional al de obtener el coeficiente de
permeabilidad medio, por los métodos convencionales de bombeo a través de un pozo
central.
CONSIDERACIONES TEÓRICAS
La prueba se ejecutará en una perforación expresamente hecha para el efecto, en que
su extremo interior estará dotado de una cámara filtrante.
La prueba podrá hacerse a flujo constante, sea por bombeo o por inyección de un
gasto constante; o en flujo variable por ascenso o descenso de la superficie del agua
dentro de la perforación. En ambos casos es recomendable que la carga de prueba se
limite a valores del orden de los 5 a los 10 metros. Como máximo.
Para el primer caso, si se denomina por H la diferencia de carga total correspondiente
al gasto Q, la permeabilidad estará dada por:
K = C (Q/H)………………….. (1)
En donde C es un coeficiente que depende de las dimensiones y forma de la cámara
de filtrante, que para efectos de esta prueba se considerará como un elipsoide de
revolución con el eje corto igual con D y una distancia focal F.
K en m/seg
C en 1/m = m-¹
Q en m3 / seg
H en metros
Con objeto de comprobar que las dimensiones son normales se harán ensayos con
gastos mayores y menores que el de prueba y los valores Q, H se llevarán a una
gráfica a escala natural, en donde, si el ensayo es correcto, y el flujo laminar, deberán
quedar alineados a lo largo de una recta pasando por el origen.
Cuando el tramo de prueba se encuentre en la cercanía al fondo impermeable o a la
superficie del manto freático, al coeficiente C debe hacérsele una corrección mediante
el aumento de valor..
Cuando el terreno sea poco permeable, podrá usarse el segundo caso, de flujo
variable, cuyos elementos son:
D = diámetro de la tubería en metros
L = longitud de la cámara filtrante en metros.
Ho = distancia del punto medio de la cámara filtrante al manto impermeable
H1 = carga en el instante t1
H2 = carga en el instante t2
A= área efectiva de la sección transversal de la tubería de prueba m²
(t1 y t2 tiempos correspondientes a H1 y H2)
Para este caso:
C tiene el mismo significado que para el caso 1, obteniéndose los valores
correspondientes usando las gráficas de la figura 2 y 2á
Los diferentes puntos correspondientes a las medidas Hn, Tn deben alinearse sobre
una gráfica log H, T.
Para el cálculo de K por medio de la fórmula (4) es preciso conocer la posición del
nivel estático N. E. Del manto, contada generalmente a partir de la elevación de la
boca del tubo.
El caso 2 puede efectuarse arriba del nivel estático del agua, en cuyo caso las cargas
H´1 y H´2 se medirán a partir del punto medio de la cámara filtrante, la cual estará a
una profundidad Zo, contada a partir de la boca del tubo.
Para valores
y z en metros, se llevarán en una gráfica que, en principio, deben alinearse a lo largo
de una recta, que cortará el eje de las ordenadas (profundidades) en la elevación
correspondiente a la del nivel estático del manto freático.
En el caso que la prueba se haga arriba del nivel estático, la recta cortará al eje de las
ordenadas, a la elevación media de la cámara filtrante, dicha prueba siempre será
bajada.
Condiciones generales que deben que deben satisfacer para que la prueba se
considere aceptable:


La relación 1/d debe ser igual o mayor a 5.
El valor l es conveniente también limitarlo a 10 máximo, pero procurando que
los valores usuales estén comprendido entre 1.0 y 5.0 metros.
Debe considerarse como no satisfactoria la prueba hecha a través del fondo
del tubo solamente debido a la posibilidad de que el material suelto remonte la
tubería, falseando los resultados, y a que el valor de k sería en sentido vertical,
principalmente.
CAMARAS FILTRANTES
La cámara filtrante puede construirse por medio de un tramo de tubo ranurado, a partir
del fondo de la perforación, el área de ranuración debiendo ser superior al 15 % del
área filtrante.
Este caso es muy importante que se compruebe por medio de una sonda, que en la
cámara filtrante no ha remontado material fino, limo o arena, que reduzca las
dimensiones de la misma, pues entonces los datos finales serían falsos.
La cámara filtrante también podría formarse con grava gruesa no graduada rellenando
el ramo inferior de tubería de ademe, la que sería izada posteriormente una longitud
determinada. El relleno de grava deberá quedar a una cota superior a la del fondo del
ademe, y estar constituido por granos comprendidos entre 1.5 y 2.5 cm.
En este caso, si se comprueba que la tubería de ademe ha quedado floja dentro de la
perforación, y existe la posibilidad de flujo a través del espacio comprendido entre la
superficie exterior del tubo y las paredes de perforación, y si además, el terreno estás
saturado, deberá hacerse una prueba a base de bombeo. O de flujo variable
ascendente.
En fin, la cámara filtrante puede quedar construida por un tramo de perforación, sin
ademe, en caso de que no exista posibilidad de derrumbes y descompresiones del
terreno que puedan falsear los valores correspondientes al terreno virgen.
Siempre que sea posible, debe preferirse la prueba a base de bombeo a flujo variable,
ascendente, con objeto de evitar la posibilidad de formar obturaciones al inyectar agua
a presión, si esta última es muy grande.
Es conveniente que los valores de z1, z2, z´1 y z´2 se obtengan por medio de una
sonda eléctrica introducida a través de un tubo de menor diámetro que el ademe,
colocado ex profeso para el caso.
CONSIDERACIONES TEÓRICAS
La prueba se ejecutará en una perforación expresamente hecha para el efecto, en que
su extremo interior estará dotado de una cámara filtrante.
La prueba podrá hacerse a flujo constante, sea por bombeo o por inyección de un
gasto constante; o en flujo variable por ascenso o descenso de la superficie del agua
dentro de la perforación. En ambos casos es recomendable que la carga de prueba se
limite a valores del orden de los 5 a los 10 metros. Como máximo.
Para el primer caso, si se denomina por H la diferencia de carga total correspondiente
al gasto Q, la permeabilidad estará dada por:
K = C (Q/H)………………….. (1)
En donde C es un coeficiente que depende de las dimensiones y forma de la cámara
de filtrante, que para efectos de esta prueba se considerará como un elipsoide de
revolución con el eje corto igual con D y una distancia focal F.
K en m/seg
C en 1/m = m-¹
Q en m3 / seg
H en metros
Con objeto de comprobar que las dimensiones son normales se harán ensayos con
gastos mayores y menores que el de prueba y los valores Q, H se llevarán a una
gráfica a escala natural, en donde, si el ensayo es correcto, y el flujo laminar, deberán
quedar alineados a lo largo de una recta pasando por el origen.
Cuando el tramo de prueba se encuentre en la cercanía al fondo impermeable o a la
superficie del manto freático, al coeficiente C debe hacérsele una corrección mediante
el aumento de valor..
Cuando el terreno sea poco permeable, podrá usarse el segundo caso, de flujo
variable, cuyos elementos son:
D = diámetro de la tubería en metros
L = longitud de la cámara filtrante en metros.
Ho = distancia del punto medio de la cámara filtrante al manto impermeable
H1 = carga en el instante t1
H2 = carga en el instante t2
A= área efectiva de la sección transversal de la tubería de prueba m²
(t1 y t2 tiempos correspondientes a H1 y H2)
Para este caso:
C tiene el mismo significado que para el caso 1, obteniéndose los valores
correspondientes usando las gráficas de la figura 2 y 2á
Los diferentes puntos correspondientes a las medidas Hn, Tn deben alinearse sobre
una gráfica log H,T.
Para el cálculo de K por medio de la fórmula (4) es preciso conocer la posición del
nivel estático N. E. Del manto, contada generalmente a partir de la elevación de la
boca del tubo.
El caso 2 puede efectuarse arriba del nivel estático del agua, en cuyo caso las cargas
H´1 y H´2 se medirán a partir del punto medio de la cámara filtrante, la cual estará a
una profundidad Zo, contada a partir de la boca del tubo.
Para valores
y z en metros, se llevarán en una gráfica que, en principio, deben alinearse a lo largo
de una recta, que cortará el eje de las ordenadas (profundidades) en la elevación
correspondiente a la del nivel estático del manto freático.
En el caso que la prueba se haga arriba del nivel estático, la recta cortará al eje de las
ordenadas, a la elevación media de la cámara filtrante, dicha prueba siempre será
bajada.
Condiciones generales que deben que deben satisfacer para que la prueba se
considere aceptable:


La relación 1/d debe ser igual o mayor a 5.
El valor l es conveniente también limitarlo a 10 máximo, pero procurando que
los valores usuales estén comprendido entre 1.0 y 5.0 metros.
Debe considerarse como no satisfactoria la prueba hecha a través del fondo
del tubo solamente debido a la posibilidad de que el material suelto remonte la
tubería, falseando los resultados, y a que el valor de k sería en sentido vertical,
principalmente.
CAMARAS FILTRANTES
La cámara filtrante puede construirse por medio de un tramo de tubo ranurado, a partir
del fondo de la perforación, el área de ranuración debiendo ser superior al 15 % del
área filtrante.
Este caso es muy importante que se compruebe por medio de una sonda, que en la
cámara filtrante no ha remontado material fino, limo o arena, que reduzca las
dimensiones de la misma, pues entonces los datos finales serían falsos.
La cámara filtrante también podría formarse con grava gruesa no graduada rellenando
el ramo inferior de tubería de ademe, la que sería izada posteriormente una longitud
determinada. El relleno de grava deberá quedar a una cota superior a la del fondo del
ademe, y estar constituido por granos comprendidos entre 1.5 y 2.5 cm.
En este caso, si se comprueba que la tubería de ademe ha quedado floja dentro de la
perforación, y existe la posibilidad de flujo a través del espacio comprendido entre la
superficie exterior del tubo y las paredes de perforación, y si además, el terreno estás
saturado, deberá hacerse una prueba a base de bombeo. O de flujo variable
ascendente.
En fin, la cámara filtrante puede quedar construida por un tramo de perforación, sin
ademe, en caso de que no exista posibilidad de derrumbes y descompresiones del
terreno que puedan falsear los valores correspondientes al terreno virgen.
Siempre que sea posible, debe preferirse la prueba a base de bombeo a flujo variable,
ascendente, con objeto de evitar la posibilidad de formar obturaciones al inyectar agua
a presión, si esta última es muy grande.
Es conveniente que los valores de z1, z2, z´1 y z´2 se obtengan por medio de una
sonda eléctrica introducida a través de un tubo de menor diámetro que el ademe,
colocado ex profeso para el caso.
PRUEBAS LEFRANC
Ejemplos:
Caso num. 1. carga constante.
Datos:
D = 7.6 cm.
H1 = 1.5 m –Zo-- z1
Q = lt/seg - 0.0005 m³ / seg.
L = 1.00 metros.
Los valores que se toman en el campo son:
Zo en m. Profundidad del manto con respecto a la boca del tubo
Z1 en m. Profundidad del agua en el pozo, para un gasto Q constante.
Q en litros por segundo constante, durante 10 minutos.
Y de estos tres datos los que hay que tomar con cuidado son z1 y Q, pues es en los
que se puede cometer errores con gran facilidad. Una forma de limitar las
posibilidades de error es efectuar la prueba con este método solo para valores de Zo
reducidos, digamos del orden de los 5.0 a los 10.0 metros como máximo.
En estas condiciones es posible medir la profundidad Z1 con una sonda eléctrica, a
través de un tubo de menor diámetro que el ademe; y el agua con gasto Q, deslizarla
por 4el espacio comprendido entre los dos tubos, y mantener el gasto constante
durante 10 minutos.
ENSAYOS LEFRANC
Se entuba la perforación por tratarse de terrenos pulverulentos y la cavidad se abre
bajo la zapata del revestimiento. Se conserva abierta gracias a la inyección de agua
que se realiza a través de las tuberías de un trépano pequeño que se mantiene fijo a
una determinada profundidad.
La sobrecarga h de agua en la cavidad viene dada por la observación del nivel libre en
el entubado y el caudal de inyección por la bajada del nivel del tanque.
De este modo se tienen todos los elementos necesarios para calcular K, salvo el
coeficiente C de la cavidad para evaluar este es preciso hacer una hipótesis sobre la
forma de la misma. Por consiguiente, la interpretación del ensayo solo puede
suministrar un orden de magnitud bastante aproximado de las permeabilidades. En
general es suficiente, ya que el coeficiente C varía poco con la forma de la cavidad.
Cuando la dimensión de los granos de las formaciones es demasiado grande para que
el agua pueda formar una cavidad, es necesario recurrir a otro procedimiento.
Algunas veces se puede realizar con la herramienta de perforación con una cavidad de
forma dada asegurando su mantenimiento durante el tiempo que dura el ensayo la
propia cohesión del terreno. En este caso no hay que olvidarse de comprobar que no
sufre ninguna modificación durante el tiempo que se realizan las medidas.
En particular, si se toma como cavidad el espacio en forma de disco que se crea en la
base del entubado, es necesario que no ascienda por él nada de terreno. Si esto no se
cumple rigurosamente, no existe ningún medio de evaluar correctamente el coeficiente
a considerar, ya que la parte de formación que se introduce en el entubado, en general
antes de comenzar el ensayo, se ha descomprimido con relación a la que queda en su
sitio y su permeabilidad cambia.
Además, el cálculo demuestra que, cuando existe un terreno idéntico dentro y fuera
del revestimiento basta con una pequeña subida para que la carga h que hay que
sustituir en la fórmula sea una pequeña fracción de la sobrecarga aplicada. Por
consiguiente, hay que evitar este tipo de cavidad.
Cuando es posible se mantiene el hueco abierto llenándolo con grava gruesa
calibrada. Los vacíos de esta son lo suficientemente grandes para que el agua de
inyección no pierda la carga por su causa.
Finalmente, se puede proveer el entubado de un elemento perforado debidamente
calibrado.
Si los caudales inyectados son muy pequeños y no se puede conseguir una cavidad
inyectando agua, la bomba resulta inútil, entonces se puede introducir el agua con un
bidón de capacidad conocida que mantenga siempre un nivel constante en el
entubado. O más sencillo aún, después de haber llenado el revestimiento de agua, se
mide la velocidad de descenso de esta.
Como se ha visto, estos ensayos se pueden realizar de modo muy variado y conviene
tomar diferentes valores de la sobrecarga para compensar los errores.
La experiencia de estas muestras demuestra que su simplicidad es solo aparente y es
necesario que las efectúen e interpreten técnicos que sepan lo que hacen. Con las
inyecciones de agua se corre el riesgo de provocar fracturas que permiten que se
establezca fácilmente una corriente de agua alrededor del entubado o, por el contrario,
que se obturen las formaciones. Incluso aunque las aguas estén perfectamente
limpias, se puede producir esta colmatación por el desprendimiento del gas disuelto en
el agua.
Por todas estas razones se prefiere generalmente efectuar los ensayos por bombeo.
Pero es necesario tomar grandes precauciones para evitar que se produzcan arrastres
del terreno que cambiarían completamente el valor del coeficiente C que se creía
aplicable.
Como generalmente las cavidades son de pequeñas dimensiones, las
permeabilidades calculadas se refieren a un pequeño volumen de terreno y se pueden
considerar como puntuales. Es necesario ensayar un gran numero de puntos para
poder tener un valor medio de la permeabilidad del terreno.
SUELOS ANISOTROPOS
Es cosa muy sabida que la permeabilidad de los terrenos formados por aluviones no
es la misma si la corriente fluye en sentido vertical u horizontal. Se trata de
formaciones anisótropas. Desgraciadamente, esta anisotropía se debe a una
estructura en hojas que es la que introduce la heterogeneidad, y la asimilación del
medio real a un medio homogéneo y anisótropo solamente se puede hacer cuando se
emplean corrientes que afectan a un gran volumen respecto a las heterogeneidades.
Esta condición esencial se olvida con frecuencia, y se ve a algunos ingenieros que
realizan ensayos Lefranc para evaluar puntualmente la anisotropía de un medio
heterogéneo. El método correcto para un medio anisótropo homogéneo consiste en
efectuar dos ensayos:
Uno a partir de la base del entubado con una cavidad en forma de disco,
Otro a partir de un elemento filtrante relativamente largo con relación a su diámetro.
Las construcciones gráficas demuestran que en el primer caso la pérdida de carga de
la corriente en las formaciones se debe casi exclusivamente a los filetes de aguas
verticales. Por consiguiente, el coeficiente de permeabilidad que se obtiene en estos
ensayos es el de permeabilidad vertical.
En el segundo caso, los filetes de agua son casi todos horizontales y el coeficiente de
permeabilidad calculado es el de permeabilidad horizontal.
Como se ve, el principio de estos ensayos es muy seductor. Desgraciadamente e
independientemente de la condición de homogeneidad, que raramente se cumple, la
correcta realización de un ensayo de agua a partir del fondo de una perforación
entubada es casi imposible a causa de la subida del terreno en el revestimiento.
Además las arenas finas que constituyen los horizontes menos permeables con las
que ascienden con mas facilidad. Antes de efectuar un ensayo in interpretable, el
sondista evita estas formaciones. También se puede llegar a unas permeabilidades
verticales mayores que las horizontales, lo que es contrario a la realidad.
Por otra parte, la interpretación del segundo ensayo exige la evaluación, a priori, de
dos constantes:
m- espesor de la corriente
y sobre todo R- radio de acción.
Por consiguiente, no en todos los casos es conveniente este procedimiento y su
aplicación precisa precauciones y circunspección.
INSTRUCCIONES GENERALES SOBRE OPERACIONES DE CAMPO PARA
EJECUTAR PRUEBAS DE PERMEABILIDAD TIPO "LEFRANC"
ANTECEDENTES
El procedimiento a seguir, así como el equipo necesario para su ejecución en las
brigadas dependientes de la subdirección geología, se estandarizó para efectuar en el
campo las operaciones de los ensayos Lefranc, así como la forma de llevar los
registros y el cálculo.
CONSIDERACIONES GENERALES
Los estudios e investigación que se hacen para determinar la permeabilidad en el
subsuelo de una boquilla o vaso, es un complemento de información necesaria, ya que
la perforación de un pozo de muestreo no es suficiente para conocer el estado real del
terreno. Es indispensable localizar en que perforaciones de reconocimiento se
efectuarán los ensayos de permeabilidad, de las programadas para el estudio
geológico de la boquilla y del vaso, ya que de preferencia deben hacerse las pruebas
en estos sondeos.
La permeabilidad en la roca a través de grietas, fracturamientos y fisuras, se mide por
medio de las pruebas Lugeon, pero cuando la naturaleza del terreno no permite hacer
este tipo de ensayos, por ser granulares, se aprovecha su permeabilidad natural para
que en la perforación se hagan pruebas Lefranc. En este tipo de pruebas efectuadas
en capas de arena, limo, aluviones, escombros, etc., en los cuales la velocidad del
flujo es lenta, la perforación debe quedar ademada y únicamente el tramo de prueba
situado en la parte inferior de la tubería, quedará libre.
PERFORACIÓN
La perforación que es una de las condiciones más importantes para la ejecución
correcta de una prueba Lefranc, se deberá hacer preferentemente con una perforadora
rotatoria con broca de tungsteno, sin extraer corazones; o como último recurso, con
máquina de percusión, siempre y cuando se pueda ir ademando la perforación. La
broca deberá ser de preferencia, de tipo NX, o sea 7.6 cm. (3") de f ; en caso de usar
otro diámetro, se deberá reportar para tomarlo en cuenta en la cuantificación del
coeficiente de permeabilidad. Es indispensable que el procedimiento de perforación no
modifique las condiciones naturales del terreno, por lo que se deberá evitar el uso del
barro, bentonita o cementación en la protección de caídos, ya que con esto se
taponarían los pequeños vacíos del material por probar. La perforación con agua es
indispensable, aunque esta condición no es suficiente porque con cualquier
perforadora de más o menos intensidad, los sedimentos de los cortes taponarían las
paredes del pozo; sin embargo esto no se puede evitar.
Es conveniente evitar hacer las pruebas de permeabilidad sobre longitudes de
perforación demasiado grandes, si se desea tener una permeabilidad real del terreno.
una longitud máxima de 50 m para un tramo es conveniente, utilizando como límites la
cámara filtrante del fondo de la perforación y la parte inferior del ademe. En la mayoría
de los casos, la herramienta de perforación deja una cavidad uniforme debido a la
cohesión del terreno, pero en algunas ocasiones se debe recurrir para mantener esta
condición, al relleno de gravas gruesas, que dejan vacíos suficientemente grandes
para que el agua de la prueba no pierda pérdida de carga considerable, o se puede
recurrir al acondicionamiento de un tubo del mismo ademe, con perforaciones o
ranuras, para que a través de ellas circule el agua, teniendo como única condición en
este caso, que la superficie ranurada no sea menor del 15% de la superficie total del
tubo, cuya longitud es la del tramo de prueba. Debido a la gran cantidad de
condiciones que se presentan al realizar este tipo de ensayos, únicamente nos
estamos refiriendo al caso en que se cuenta con una cámara filtrante definida. Para
otros casos, se recurrirá a procedimientos especiales para formar la cavidad.
PROCEDIMIENTO
De acuerdo con la naturaleza del terreno, se pueden programar dos tipos de pruebas
Lefranc: a) de flujo constante y b) de flujo variable. Las primeras se dividen en ensayos
de inyección, de bombeo, de gasto constante y las segundas en ensayos de ascenso y
descenso de la superficie del agua dentro del ademe de la perforación. Las pruebas de
flujo constante consisten en determinar la permeabilidad de un tramo de la perforación,
inyectando o bombeando del pozo un caudal constante de agua, determinando la
profundidad a la que se estabiliza el nivel del agua con ese caudal, haciendo
observaciones al hacer variar éste.
INYECCIÓN DE GASTO CONSTANTE
Los anexos 1 y 2 contienen el esquema de las instalaciones necesarias para ejecutar
este tipo de prueba cuando se trata de inyectar pequeños volúmenes, o para grandes
consumos. En general, consiste en un tanque, en el que la carga sea constante para el
primer caso, o en una bomba con tanque de control de bombeo para el segundo.
Además se requiere instalar una válvula de paso, una válvula de compuerta o globo
para el control y un medidor de volúmenes, independientemente del cronómetro, la
sonda eléctrica y los recipientes con medidas conocidas para hacer las
comprobaciones del volumen que se esta inyectando.
En todos los casos de ensayos Lefranc, las pruebas se van efectuando a medida que
avanza la perforación, es decir, una vez que la perforadora ha llegado a la profundidad
de la parte inferior del tramo por probar, se levantará la barrena hasta el nivel superior,
volviéndolo a bajar para comprobar si no se presentaron modificaciones por caídos en
la cámara filtrante. Si esto sucede, se bajará el ademe hasta el fondo, vertiendo una
cantidad de grava suficiente para cubrir la longitud del tramo. Inmediatamente se
levantará el ademe hasta su posición original.
La prueba se inicia vertiendo agua dentro de la perforación, calibrando con la válvula
de control hasta que el nivel se estabilice, con una carga de 10 m aproximadamente a
partir del centro de la cámara filtrante. En ese instante se principiará a contar el tiempo
de prueba, que por lo general es de 10 min. tiempo en que continuamente se estará
comprobando con la sonda eléctrica que no varíe el nivel estable. Terminado el tiempo
de prueba, se tomará en el medidor el volumen inyectado.
Para las siguientes observaciones se irá disminuyendo el caudal, con lo que los
niveles estables irán bajando y en cada operación se tomará el tiempo y el volumen
inyectado. En el anexo 3 se proporciona un registro de campo para la ejecución de
este tipo de pruebas, en el que se ve, que para cinco observaciones, es necesario
tomar el volumen agregado en litros, el tiempo de observación en segundos y las
profundidades del nivel estable (h) en m con estos datos se calculará el gasto Q en
lts/seg y la carga H. Es importante anotar las profundidades del tramo en estudio, el
diámetro de la perforación (D), la distancia entre el terreno natural y la boca del ademe
(p) y la longitud de la cámara filtrante.
En el mismo anexo, se hace una gráfica de ensayos para comprobar que la prueba
hecha fue correcta y en condiciones satisfactorias. A la escala más conveniente, sobre
el eje horizontal se marcan los puntos correspondientes a los gastos en lts/seg y en el
eje vertical, las cargas H en m, con lo que se obtendrán tantos puntos como
observaciones se hayan realizado. Si el ensayo fue correcto, quedarán alineados
perfectamente a lo largo de una recta que pase por el origen de los ejes.
BOMBEO GASTO CONSTANTE
En este tipo de pruebas, la perforación y el acondicionamiento de la cámara filtrante es
semejante a la prueba anterior. En el anexo 4 se esquematizan las instalaciones para
la ejecución de la prueba, que consisten en una bomba para extraer el agua dentro de
la perforación y un aditamento con válvula de descarga, válvula de paso y medidor de
volúmenes de agua. Además se utilizan también: un cronómetro y una sonda eléctrica.
La prueba se inicia bombeando agua a la perforación, calibrando la velocidad de la
bomba hasta que el nivel se estabilice dentro del ademe del pozo, procurando que no
sea a más de 10 m de la superficie del manto. Con estas condiciones se principia a
contar el tiempo de la prueba (10 minutos), comprobando periódicamente con la sonda
eléctrica que el nivel estable no varíe. Terminado el tiempo de observación, se tomará
la lectura en el medidor, del volumen bombeado.
Para las siguientes observaciones se irá disminuyendo la aceleración de la bomba,
con lo que los niveles estables se irán subiendo y en cada operación se tomará el
tiempo y el volumen bombeado. El anexo 5 es un ejemplo de registro de campo para
la ejecución de estas pruebas por bombeo de gasto constante y en el se hicieron cinco
observaciones, tomando el volumen bombeado en litros. El tiempo de observación en
segundos y la profundidad del nivel estable (h) n m, además las profundidades del
tramo probado, el diámetro de la tubería (D), la profundidad del manto freático, la
longitud de la cámara filtrante (L) y la distancia entre el terreno natural y la boca del
ademe. Con el volumen y el tiempo de observación se calculará el gasto Q en lt/seg y
con la profundidad (h) y la distancia de la boca del ademe a la profundidad del manto
freático (Zo) se calculará la carga H. En la misma hoja de registro de campo, se grafica
la prueba de manera semejante a la explicad para la prueba de inyección de gasto
constante; es decir, utilizando el gasto Q y la carga H para obtener los puntos de
observación.
En los dos casos de pruebas de flujo constante, se necesario que se tome en
consideración, para la mejor evaluación del coeficiente de permeabilidad de un tramo
determinado, si el ensayo se hace enseguida del nivel del manto freático, o muy cerca
del manto impermeable, que hay que reportar la distancia del centro de la cámara
filtrante a el nivel del manto freático (ho) para el primer caso, o la distancia de la
cámara al manto impermeable (h’ o) para el segundo. No es posible a veces obtener
estos datos durante la ejecución de la prueba, sino que se localizan a medida que
avanza la perforación. Sin embargo, se deben reportar cuando se tenga la certeza de
su existencia. En los anexos 8, 9 y 10, se grafican los diferentes casos de prueba de
flujo constante que se puedan presentar con relación al manto freático y al manto
impermeable, en gasto constante por inyección y por bombeo. Además, se indica la
forma de graficar la prueba, las fórmulas que intervienen para su cuantificación y una
forma de registro de campo.
PRUEBAS DE PERMEABILIDAD TIPO LEFRANC (FLUJO VARIABLE)
INTRODUCCIÓN
En ciertas ocasiones puede ser de interés obtener valores aproximados; como una
relación de magnitud, de la permeabilidad en sentido vertical, de los terrenos de
aluvión, o formaciones granulares permeables, cuando presenta cierta estratificación o
heterogeneidad de granulometría en sentido vertical.
Los valores que se obtengan con el procedimiento se expone a continuación, deberá
tomarse con todas las reservas que impone un método aproximado.
CONSIDERACIONES TEORICAS
En general serán válidas las consideraciones que se hicieron para las pruebas de
permeabilidad en sentido horizontal.
Por consiguiente, se supondrá que la prueba se efectuará permitiendo el flujo de agua,
a través del fondo de la perforación, solamente, y que dicho flujo podrá ser constante o
variable
CONDICIONES QUE DEBEN SATISFACERSE PARA QUE LA PRUEBA SE
CONSIDERE ACEPTABLE
A).- Que el diámetro de la perforación sea el mayor posible
B).- debe comprobarse que el material suelto no ha remontado la tubería, pues en este
caso los valores del coeficiente de permeabilidad K, serían erróneos
C).- Siempre que sea posible, deberá preferirse la prueba a flujo variable,
descendente.
FLUJO VARIABLE DE ASCENSO
El principio de este tipo de pruebas, de flujo variable, con ascenso a la superficie del
agua dentro de la perforación, consiste en ir determinando la velocidad con la que vará
el nivel dentro del tubo de ademe, habiendo extraído previamente una columna de
agua; y dentro del tiempo que dure el ensayo, no extraer o agregar más líquido. En
este caso se recomienda también que, la carga que se aplica para la prueba al extraer
el agua de la perforación, no sea mayor que 10 m contados a partir de la superficie del
nivel freático. Otra condición para que la prueba resulte satisfactoria, es que la longitud
del tramo no sea mayor que 5.0 m, o que satisfaga que la relación L/D sea igual o
mayor que 5, en la que L es la longitud del tramo y D el diámetro de la perforación.
El anexo 6 es un ejemplo de una prueba de ascenso de la superficie del agua dentro
de la perforación. Para la ejecución de este tipo de ensayos, no se requieren
instalaciones especiales de equipo, ya que únicamente se necesita extraer el agua
dentro de la perforación hasta el nivel en el que se pueda tener la carga especificada;
y con una sonda eléctrica, ir midiendo el ascenso del agua en lapsos determinados y
controlados con un cronómetro.
En la hoja de registro de campo, es necesario que previamente al inicio de la prueba,
se anoten: las profundidades del tramo que se va a probar, la distancia (p) entre el
terreno natural y la boca del ademe, el diámetro D de la perforación, la longitud (L) de
la cámara filtrante y la profundidad del manto freático. Al hacer las cinco
observaciones, es necesario anotar para cada una de ellas la distancia entre ala boca
del ademe y el nivel freático (Zo), la profundidad inicial del espejo de agua (h 1), a partir
de la boca del ademe y la profundidad del espejo (h 2), después de haber transcurrido
el lapso de observación (T). Como comprobación de que la prueba se efectuó en
condiciones normales, en la misma hoja de registro se hace la gráfica de ensayos; en
el eje de las ordenadas se marcan los valores de Z, que es la diferencia entre h 2 y h1, y
en el eje de las abscisas, los valores de Z/T en m/seg. Los puntos así obtenidos,
tendrán que quedar aproximadamente alineados hacia el origen de los ejes.
FLUJO VARIABLE DE DESCENSO
En las pruebas de permeabilidad de flujo variable con descenso de la superficie del
agua dentro de la perforación, es necesario ir determinando la velocidad con que varía
el nivel dentro del tubo de ademe, habiendo previamente una columna de agua, sin
que se agregue o se extraiga líquido durante el tiempo que dure la prueba. La carga
máxima recomendable no debe ser mayor de 10.0 m a partir del centro de la cámara
filtrante, o del nivel freático. También, como es el caso de flujo variable con ascenso, la
longitud del tramo no debe ser mayor de 5.0 m, o reunir las condiciones de la relación
L/D citadas anteriormente.
Para la ejecución de estas pruebas no se requieren instalaciones de equipo especial,
necesitándose únicamente verter agua dentro de la perforación hasta un nivel que
satisfaga las condiciones de carga especificada y con una sonda eléctrica ir midiendo
el descenso del nivel de agua en lapsos de tiempo determinados, controlados con un
cronómetro. Durante las cinco observaciones, además de anotar en la hoja de registro
las profundidades del tramo, la distancia (p) entre el terreno natural y la boca del
ademe, el diámetro(D) de la perforación y la longitud de la cámara filtrante (L), es
necesario para cada une de ellas anotar la distancia (Z o) entre la boquilla del ademe y
el nivel freático o (Z’o) cuando no exista manto freático, siendo la distancia entre la
boca del ademe y el centro de la cámara filtrante. También se registra la profundidad
(h1) entre la boca y el nivel en que se inicia la prueba y la profundidad (h 2) hasta donde
descendió el espejo de agua después del tiempo (T) de observación.
La comprobación de que la prueba se efectuó en condiciones normales, se grafica de
manera similar a la explicada para la de la prueba de flujo variable de ascenso,
teniendo que llenar los puntos los requisitos de alineamiento hacia el origen de los
ejes. En los dos caso de pruebas de flujo variable, para valuar mejor el coeficiente de
permeabilidad de un tramo determinado, si el ensayo se hizo enseguida del nivel
freático o muy cerca de un manto impermeable, es necesario tomar en consideración
que se deben reportar las distancias ho o h’o descrita anteriormente, en lo referente a
pruebas de gasto constante por bombeo, en los anexos 11, 12, y 13, se grafican los
diferentes casos de pruebas de flujo variable que se pueden presentar con relación al
manto freático y el manto impermeable, en ensayos de ascenso de la superficie del
agua dentro del tubo de ademe o de descenso, además, se indica la forma de graficar
la prueba, las fórmulas que intervienen para su cuantificación y una forma de registro
de campo.
CONSIDERACIONES GENERALES
Para la realización de una prueba de tipo Lefranc, es indispensable que, antes de su
iniciación se compruebe el funcionamiento de la sonda eléctrica, del cronómetro y del
medidor de volúmenes de agua. Este último, utilizando los recipientes con medidas
conocidas. Cuando el medidor no funcione o su capacidad no sea suficiente para
volúmenes muy pequeños, se utilizarán estos recipientes para cuantificar el volumen
de agua extraído o inyectado dentro de la perforación en las pruebas de flujo
constante. En la pruebas de flujo constante por inyección, es importante proteger la
sonda, introduciéndola dentro de un tubo, con el fin deque el agua no le produzca
variaciones al tocarla y se pueda mantener bien definido el nivel estable.
En las pruebas de flujo variable, los tiempos de observación se tomarán de acuerdo
con la velocidad con que descienda o ascienda el espejo de agua dentro del tubo del
ademe, teniendo en cuenta que se deberán hacer 5 observaciones. Es conveniente
que en este tipo de pruebas se procure la continuidad de las lecturas de las
profundidades h; es decir, que la profundidad h2 del ensayo efectuado pase a ser h1
del siguiente, haciendo funcionar el cronómetro inmediatamente después de haber
terminado el tiempo de ensayo anterior. En todo tipo de pruebas Lefranc, las escalas
que adopten para las gráficas de los puntos de observación, serán a criterio del
operador, teniendo en cuenta que los puntos queden separados para ver su
alineamiento.
PRUEBAS DE PERMEABILIDAD TIPO LEFRANC EN TERRENOS SOMEROS
GENERALIDADES
en algunas ocasiones se presenta la necesidad de obtener los valores de la
permeabilidad en terrenos someros, en los cuales se proyecta la construcción en un
canal de construcción de agua, y se desea tener una idea preliminar sobre si es
necesario prever la construcción de un determinado tipo de revestimiento y diseñar los
drenes correspondientes, tanto transversales como longitudinales.
En estas condiciones, es ventajoso conocer los valores de la permeabilidad en los
terrenos en que se excavará la cubeta del canal, aún cuando estos valores sean
relativos y aproximados, como consecuencia de las condiciones de los terrenos y de
las mismas pruebas.
El procedimiento que se aconseja a continuación da valores aproximados de la
permeabilidad de los suelos, en la suposición de que se efectúe un flujo laminar y de
que ha logrado establecerse previamente. Tales valores deben tomarse como un
orden de magnitud pues puede ser útil para ordenar el diseño.
Sin embargo, es probable que en muchas ocasiones sea necesario afinar los
resultados, ejecutando investigaciones de infiltración directa en pozos abiertos.
De todas maneras, parece conveniente efectuar investigaciones de campo que
permitan en el futuro poder relacionar coeficientes de permeabilidad, con infiltraciones
por unidad de superficie mojada en canales.
CONSIDERACIONES TÉCNICAS





Se considera una perforación que se ha llevado hasta una profundidad de
cuando menos cinco veces el diámetro de la misma, y que se llenará de agua
hasta la boca, de manera que debe obtenerse una carga h1, con respecto al
fondo.
Se suministrará constantemente agua al pozo durante un tiempo de 5 minutos,
de manera de conservar el nivel de agua en su posición inicial.
Se suspende el suministro de agua y se permite iniciar el descenso del nivel
del agua, en el pozo. Al iniciarse el descenso se tomará una lectura de tiempo
t1 en un cronómetro.
Al haber transcurrido un tiempo D t, se toma con sionda el nuevo nivel de agua,
el cual habrá descendido una cantidad D h y provocará una nueva carga h2
sobre el fondo de la perforación.
En estas condiciones
Siendo
En
En donde h = (h1+ h2)/2
D= diámetro de la perforación en metros
A= área de la perforación en m²
D h = h1 – h2 en metros.
D t = tiempo transcurrido durante el descenso de las dos lecturas h1 y h2 en
segundos.
Es conveniente comprobar, que la perforación no se haya azolvado antes de la
prueba, ni durante la misma.
En caso necesario, podrá engravarse la perforación o usarse tubería ranurada con una
superficie abierta mayor del 15% del área circunferencial del tubo.
Por otra parte deberá limitarse el valor de h a una fracción de h1, pudiendo decirse
que es conveniente limitarlos a un 20% de h; sea D h < 0.2h
PROCEDIMIENTO GENERAL SOBRE EL ANÁLISIS MATEMÁTICO, PARA EL
CÁLCULO DEL COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD DE TIPO LEFRANC
CONSIDERACIONES TEÓRICAS Y EJEMPLOS
En el instructivo para operaciones de campo, para ejecutar pruebas de permeabilidad
tipo Lefranc, se explica detalladamente el procedimiento que se sigue para efectuar en
el sitio de estudio cada uno de los diferentes ensayos, así como, el equipo que se
utiliza y las condiciones que deben existir para escoger el tipo de prueba más
conveniente. En el caso de las pruebas de flujo constante, ya sea por bombeo o por
inyección de agua, en las que se calcula, con los datos de campo, el gasto Q en
lts/seg y la carga H en m, con el fin de graficar el resultado de la prueba, se utilizan
estos mismos datos para calcular el coeficiente de permeabilidad por medio de la
fórmula siguiente, convirtiendo a Q en m³/seg.
en m/s
En la que C es un coeficiente que depende de la forma de la cámara filtrante. Para
nuestro caso, fue considerada como la cavidad de un elipsoide de revolución con eje
corto igual a D y a una distancia focal igual a 1.
Los anexos 2 y 2ª, son unas gráficas para encontrar el valor de C en diferentes
diámetros, en función del diámetro de la perforación y la longitud de la cámara filtrante.
Estas gráficas fueron dibujadas de acuerdo con las siguientes fórmulas:
En estas fórmulas el valor de c esta dado en
.
Los anexos 14 y 15, son dos ejemplos de registro de cálculo de permeabilidad; de flujo
constante por inyección el primero y por bombeo el segundo, dados en el instructivo
de operaciones de campo. En ambos casos se encuentra la carga H en m y el gasto Q
en m/seg, de las cinco observaciones, con lo que se va desarrollando el cálculo para
cada una de ellas hasta obtener igual número de coeficientes K en cm/seg, con los
cuales se hace un promedio para tener el coeficiente de permeabilidad del tramo.
Para el caso de las pruebas de flujo variable, con ascenso de la superficie de agua
dentro de la perforación, en las que se van obteniendo las profundidades h 1 y h2 con
que va variando el espejo del agua cada determinado tiempo de observación D T, el
coeficiente de permeabilidad esta dado por la fórmula
En la que c se obtiene igual que en el caso de las pruebas de flujo constante (en las
gráficas 2 y 2ª), teniendo el mismo significado. Los anexos 16 y 17, son también los
ejemplos dados en las instrucciones sobre operaciones de campo, para las pruebas de
flujo variable con ascenso y descenso del espejo de agua dentro de la perforación. En
los dos casos es necesario, para las cinco observaciones anotar en la hoja de registro
de cálculo la profundidad Zo y z’o en m, las profundidades h1 y h2 en m, y calcular el
área de la cámara filtrante de acuerdo con el diámetro D de la perforación. Con estos
datos se desarrolla el cálculo, obteniéndose cinco coeficientes, de cuyo promedio se
obtiene el coeficiente K en cm/seg, del tramo probado.
En los dos casos tanto de flujo constante como de flujo variable, cuando el ensayo se
hizo enseguida del nivel freático o muy cerca de un manto impermeable, es necesario
tomar en consideración que se debe reportar la distancia h o o h’o según el caso de que
se trate. Al coeficiente C debe hacerse una corrección adicional, calculada de acuerdo
con la fórmula
La interpretación de los resultados de estas pruebas, es de suma importancia, ya que
de ello depende la aprobación o el rechazo del estudio de que se trate con respecto a
la permeabilidad o de la programación del tratamiento adecuado para la
impermeabilidad de la boquilla. Una permeabilidad de 1.0 x 10 -6 o mayor puede
considerar que el material es impermeable. La permeabilidad resultante de 1.0 x 10 -5 ,
como poco permeable; de 1.0 x 10-4 como permeable y entre 1.0 x 10-3 y 1.0 x 10-2
como altamente permeable.
REGISTRÓ DE CÁLCULO DE PERMEABILIDAD DE FLUJO CONSTANTE
Tramo: 8.00 a 13.00
Fecha: 10 de feb. De 1969 ANEXO 14
inyección gasto constante
Observación
H
Q (m³/seg)
Q/H
K=
(m/seg)
CQ/H K (cm/seg)
1
0.585
0.0000965
0.0001649
0.0000257
2.57 x 10-3
2
0.885
0.0001389
0.0001569
0.0000245
2.45 x 10-3
3
1.370
0.0002380
0.0001737
0.0000271
2.71 x 10-3
4
2.030
0.0002541
0.0001448
0.0000226
2.26 x 10-3
5
2.720
0.0003846
0.0001413
0.0000220
2.20 x 10-3
2.44 x 10-3
L = 5.00 m
D = (NX) 0.0762
C = 0.156
REGISTRÓ DE CÁLCULO DE PERMEABILIDAD DE FLUJO CONSTANTE
Tramo: 8.00 a 13.00
Fecha: 10 de feb. De 1969 ANEXO 15
bombeo gasto constante
Observación
H
Q (m³/seg)
Q/H
K=
(m/seg)
CQ/H K (cm/seg)
1
1.250
0.000833
0.000666
0.000104
1.04 x 10-2
2
0.700
0.000623
0.000290
0.000139
1.39 x 10-2
3
0.560
0.000503
0.000398
0.000140
1.40 x 10-2
4
0.373
0.000343
0.000919
0.000143
1.43 x 10-2
5
0.280
0.000163
0.000582
0.000908
9.00 x 10-2
1.25 x 10-2
L = 5.00 m
D = (NX) 0.0762
C = 0.156
INSTRUCCIONES SOBRE LA EJECUCIÓN Y CÁLCULO DE PRUEBAS DE
PERMEABILIDAD TIPO LEFRANC EN TERRENOS SOMEROS
ANTECEDENTES
Debido a la dificultad para obtener valores de la permeabilidad en terrenos someros
por los procedimientos antes descritos, y éstos sean necesarios para la construcción
de una obra, el consultivo técnico formuló las consideraciones sobre la ejecución de
este tipo de pruebas; aun cuando estos valores sean relativos y aproximados como
consecuencia de las condiciones de los terrenos y de las mismas pruebas. Los valores
que se obtienen con este método son suponiendo que al hacer la prueba se efectúa un
flujo laminar que ha logrado establecerse previamente.
CONSIDERACIONES GENERALES
Si observamos la figura anexa a la hoja de registro para observación en terreno
someros, de una prueba de permeabilidad con flujo variable de descenso, en la que se
considera que la perforación se ha llevado hasta una profundidad de (h1+h1) de cuando
menos cinco veces el diámetro D de la perforación. Se procede a llenar el pozo hasta
la boca de manera que, suministrando agua se mantenga el espejo de ésta a la
profundidad h1 durante un tiempo de 5 minutos como mínimo. Al suspender el
suministro de agua en el tiempo indicado, el nivel principia a descender dentro del
pozo en el tiempo T1 registrada en el cronómetro. Al haber transcurrido un tiempo D T,
se toma con la sonda la nueva profundidad del espejo de agua h 2 o sea, una cantidad
D h. De la misma manera se hacen cinco observaciones con las cuales se calcula D h
y D T respectivamente.
Es muy importante comprobar que durante la perforación o al efectuar la prueba, no se
haya azolvado el pozo, en el caso de que esto se presente, se deberá engravar la
perforación o usar una tubería ranurada como se indica en las instrucciones para
efectuar la prueba Lefranc. En el anexo también se indica la gráfica que hay que hacer
para comprobar que la prueba fue hecha correctamente y en condiciones
satisfactorias; con la escala más conveniente sobre el eje horizontal, se marcan los
puntos correspondientes a D h / D T en m/seg y en el eje vertical h en metros; con lo
que se obtienen tantos puntos como observaciones se hayan efectuado, si la prueba
es correcta, deberán éstos, quedar alineados aproximadamente a lo largo de una recta
que pase por el origen de los ejes.
Es necesario que se limite el valor de D h a una fracción de h 1, pudiendo decirse que
es conveniente limitarlo a un 20% de H; o sea D h £ 0.2 H.
En este caso la permeabilidad se cuantifica con la fórmula:
Siendo
En donde H = (H1 + H2)/2
D = diámetro de la perforación en m.
A = área de la perforación en m²
h. = h1 – h2 en m.
D T = T2 – T1 = tiempo transcurrido dentro del descenso entre las dos lecturas h1 y h2
en segundos. Se anexa la hoja de cálculo de la prueba del ejemplo del registro de
campo.
INSTRUCCIONES SOBRE LA EJECUCIÓN DE CÁLCULO DE PRUEBAS DE
PERMEABILIDAD TIPO LEFRANC DE FLUJO VERTICAL
ANTECEDENTES
En ciertas ocasiones en las formaciones granulares o aluviones, no es posible llevar a
efecto una prueba de permeabilidad tipo Lefranc en un tramo de la perforación debido
a las condiciones de éstos, o a que se necesite obtener el valor de la permeabilidad en
sentido vertical, sobre todo cuando se presenta cierta estratificación o heterogeneidad
de granulometría en este sentido. Este tipo de pruebas se pueden hacer únicamente a
través del fondo de la perforación, la cual se encuentra ademada hasta este límite.
CONSIDERACIONES GENERALES
Las consideraciones que se hicieron para las pruebas de tipo Lefranc mencionadas
con anterioridad, en las cuales se consideró la permeabilidad en sentido horizontal son
válidas para este tipo de pruebas, como lo indica el consultivo en "El complemento a
las instrucciones generales para la ejecución de pruebas de permeabilidad de tipo
Lefranc".
Suponiendo que el flujo del agua es a través del fondo de la perforación solamente y
que dicho flujo puede ser constante o variable, los valores que se obtienen al
cuantificar la permeabilidad con este procedimiento, deberán tomarse en cuenta todas
las reservas y deben considerarse aproximados.
Para el flujo constante:
Siendo K = coeficiente de permeabilidad en m/seg
C = un coeficiente de forma con unidades m-1
Q = gasto en m³/seg
H = carga hidrostática sobre el fondo de la perforación
En el caso de flujo variable:
En donde K = coeficiente de permeabilidad en m/seg
C = un coeficiente de forma con unidades m-1
H1 = con carga hidrostática en el instante T1 sobre el fondo de la perforación
H2 = con carga hidrostática en el instante T2 sobre el fondo de la perforación
A = área efectiva de la sección transversal de la tubería o ademe
El coeficiente C en ambos casos es:
D = con diámetro interior del tubo de ademe en m.
Se anexa una gráfica para la obtención de C en función de los diámetros en varias
tuberías.
En la hija de registro para la obtención de una prueba de permeabilidad de flujo
variable vertical de ascenso que se anexa, se deberán registrar las profundidades Z o o
Z’o (si hay manto freático), las lecturas de la sonda a los diferentes niveles del espejo
de agua dentro de la perforación de las diferentes observaciones y los respectivos
tiempos de cada una de ellas.
Es importante comprobar que el material suelto de la perforación, no ha remontado
dentro de la tubería de ademe, ya que en este caso los valores de K serán erróneos,
también es conveniente que el diámetro de la tubería sea la mayor posible.
En la misma hoja de registros de campo se hace la comprobación de que la prueba
fue correcta y que se hizo en condiciones satisfactorias, graficando los puntos de
observación, los cuales deberán quedar alineados con respecto al origen de los ejes
(en el eje horizontal se marcan D H/D T y en el eje vertical D h o Z en m) .
PRUEBA LEFRANC-MANDEL
Esta prueba tiene por objeto medir con cierta precisión el coeficiente de permeabilidad
en algún punto de un terreno aluvial, o de una roca muy fisurada cuando existe un
manto freático que satura el material.
La prueba consiste en inyectar agua en una cavidad del terreno, de forma geométrica
definida, situada debajo del nivel freático, con una carga pequeña constante de agua.
La medida del gasto de la carga que lo origina permite calcular el coeficiente de
permeabilidad K, en la vecindad de la cavidad con una buena aproximación.
Si Q es gasto de inyección y ?H la carga aplicada, se tiene: Q = C K ?H
Donde;
C = Coeficiente que tiene dimensión de longitud y que caracteriza geométricamente la
prueba (gorma de la cavidad y distancia H del tramo de ensaye al nivel freático)
Se demuestra que C tiene los siguientes valores para cavidades de forma geométrica
sencilla:
Cavidad en forma de disco de radio C = 4r
Cavidad semiesférica de radio r C = 2?r
Cavidad esférica de radio r C = 4?r
Tubo perforado de longitud L y radio r C 4? / ( 2/L log L/R – 1/2H )
EQUIPO
Bomba. Sistema de medición del gasto, incluyendo un recipiente elevado con
rebosadero, una válvula de aguja, un cono al que se adapta una válvula de tres pasos,
un recipiente de volumen conocido y un cronómetro .
Tubería de longitud suficiente para alcanzar la calidad de inyección.
Sonda eléctrica para medir el nivel de agua en la perforación, con amperímetro de
buena sensibilidad.
PROCEDIMIENTO.
1. Se realiza una perforación hasta la profundidad deseada, estabilizando la
paredes mediante un ademe, el cual se rellena con grava limpia de muy alta
permeabilidad (grava uniforme de 3 cm, por ejemplo) sobre una longitud igual a
la deseada para la prueba, por lo general un metro. A continuación se levanta
el ademe un metro, quedando la perforación lista para realizar la prueba, Se
anota el diámetro en el registro correspondiente.
2. Se mide la profundidad del nivel freático Ho. Respecto a la parte superior del
ademe, repitiendo esta medición a distintos tiempos para asegurarse de que
este nivel se ha estabilizado.
3. Se pone en marcha la bomba que alimenta el recipiente elevado con
rebosadero.
4. Al derramar el agua del recipiente, se abre la válvula 1 con la válvula 2
conectada a la perforación. El agua que se derrama de e canalizarse hasta
cierta distancia del punto de medición, o formar un circuito cerrado con el agua
bombeada para no perturbar la prueba.
5. Se mide la variación con el tiempo del nivel de agua, h, en la perforación,
respecto a la parte superior del adema.
6. Cuando dicho nivel queda estabilizado durante 10 min., se anota el valor
correspondiente, Hi.
7. Se conecta ala válvula 2 con el recipiente de volumen conocido, y se mide y
anota el tiempo, T, necesario para llenar.
8. Se repite la prueba en el mismo punto, variando los gastos inyectados y
midiendo en el mismo punto, variando los gastos inyectados y midiéndolos
respectivos niveles estabilizados de agua en la perforación.
Se calcula el coeficiente de permeabilidad del material mediante las fórmulas
correspondiente al caso de un tubo perforado de longitud L (generalmente 1 m) y radio
r:
Q = C K (H1 – H2)
Por lo tanto.
K = Q / C (H1 –H2)
Donde
C = 4? / (2/L log L/R – 1/2H)
ENSAYOS DE AGUA—DETERMINACIÓN DEL BUZAMIENTO DE LAS CAPAS
ENSAYOS DE AGUA
La testificación de las rocas permite extraer unas muestras intactas del terreno o más
o menos transportadas por la perforación. En este último caso (suelo pulverulento,
rocas muy fisuradas), la testificación es insuficiente para definir el estado real del
terreno y para el ingeniero resulta de una importancia muy grande la información
complementaria que suministran los ensayos de agua. Por consiguiente, estos
ensayos deben hacerse siempre en los sondeos de reconocimiento, incluso aunque
estos no tengan por fin el estudio de las corrientes subterráneas.
GENERALIDADES
Los terrenos que forman la corteza terrestre sirven en general de asiento a corrientes
de agua. Esta discurre o bien por los intersticios que separan los granos de arena o
grava, o por las fisuras, diaclasas o capas de arena fina, casi impermeables, que
existen frecuentemente en las rocas.
Al primer tipo de corriente, corresponde la permeabilidad en pequeño y al segundo la
permeabilidad en grande. La permeabilidad en pequeño se puede medir en el
laboratorio sobre muestras intactas, pero la permeabilidad en grande solamente se
puede medir (sobre terreno).
El tamaño de los (bloques) separados por las fisuras es en general despreciable ante
la dimensión de la corriente. La permeabilidad en pequeño también resulta
insignificante ante la permeabilidad en grande; para estas rocas fisuradas se puede
definir un coeficiente de permeabilidad, exactamente lo mismo que para los suelos
pulverulentos.
El conocimiento de este coeficiente de permeabilidad en grande precisa el estado de
fisuración del terreno y, eventualmente facilita la evaluación de los caudales de
infiltración cuando se estudian las corrientes subterráneas. Solamente permiten llegar
a estos resultados los ensayos que se efectúan en las perforaciones a medida que se
hacen estas.
Para que las medidas sean correctas es preciso que la perforación no modifique las
posibilidades de circulación de las aguas. En particular habrá que evitar los sondeos
realizados con lodo que obturan sistemáticamente los poros y las fisuras pequeñas del
terreno. Solamente se podrán localizar las figuras abiertas gracias al descenso del
nivel del lodo en los tanques.
Desgraciadamente, las indicaciones que suministran (las pérdidas) no son suficientes
para la determinación cuantitativa de la permeabilidad.
En los sondeos con agua también se observan pérdidas con este fluido. Pero en este
caso el agua no circula en un circuito cerrado y no se puede comprobar la pérdida del
líquido de retorno. La sonda corta un horizonte cuya capacidad de absorción es, bajo
la carga correspondiente, superior al caudal de las bombas. Casi siempre basta
aumentar este caudal para que el agua suba de nuevo a la superficie. En este caso
conviene completar esta indicación con un ensayo cuantitativo. Por consiguiente, la
perforación con agua es indispensable para ejecutar ensayos de agua correctos, pero
no es suficiente.
En efecto, si la perforación se realiza a percusión, el trépano llena de ripio las fisuras,
tritura sus labios y las colma mas o menos. Igualmente en la perforación rotatoria, una
de las funciones del agua de circulación es elevar el ripio que ha arrancado el trépano,
abandonado con anterioridad en el tubo de sedimentos los elementos más gruesos.
Esta agua cargada de detritos circula por el exterior de los tubos, es decir, en contacto
con el terreno y tiene generalmente una presión superior a la del manto acuífero,
entonces se forma un fluido desde el pozo a las formaciones y los sedimentos finos
taponan las paredes del sondeo. Este efecto será mayor cuanto más dure la
circulación. Por consiguiente se acentuará mas de arriba abajo y siempre será más
importante que en la perforación a percusión.
Sin embargo, este procedimiento es el único aceptable. Pero se debe aceptar la
realización de los ensayos de agua sobre tramos muy largos, si se quiere medir la
permeabilidad real del terreno. Parece ser conveniente una longitud máxima de 5
metros para estos intervalos con la condición de que se tomen siempre hasta el fondo
de la perforación.
En particular no se debe calcular la permeabilidad considerando el distinto valor de las
pérdidas en intervalos de 10 y 5 metros de longitud. En general estas pérdidas son tan
poco diferentes que los resultados obtenidos por este procedimiento son siempre
erróneos. Se emplean dos tipos de ensayos, según la naturaleza del terreno y el
método de perforación adoptado:
Los ensayos Lefranc, en terrenos pulverulentos y Los ensayos Lugeón, en las rocas
duras El principio de estos ensayos es idéntico.
Consiste en inyectar agua en el terreno a través de una porción conocida de la
perforación llamada tramo o bolsa. Pero la experiencia demuestra que cuando sea
posible es preferible extraer el agua del sondeo por bombeo.
Lefranc ha calculado por este procedimiento la permeabilidad de las arenas finas de
Túnez y Lugeon que sirven de asiento a unas grandes presas.
El análisis matemático del fenómeno es el mismo en los dos casos. Permite
determinar el coeficiente de permeabilidad del terreno homogéneo que presenta el
mismo comportamiento hidráulico que el terreno real. Este no es casi nunca
homogéneo, incluso aunque este constituido por aluviones. Si se trata de u macizo
rocoso es preciso que la fisuración sea abundante para que la asimilación sea
aceptable, por consiguiente, los resultados que se obtienen de este modo no son
perfectos, pero sí suficientes para las necesidades prácticas. Pretender ignorarlos a
causa de su imperfección sería un grosero error que impediría, casi siempre, conocer
las propiedades o el estado del terreno explorado.
La indeterminación que existe sobre la longitud del intervalo realmente ensayado no
permite realizar una interpretación precisa de las medidas; sin embargo, se puede
deducir el orden de magnitud de la permeabilidad, lo que a menudo es suficiente.
CONSIDERACIONES TEÓRICAS
El análisis matemático demuestra que, en una cavidad situada en un medio indefinido
bañado por un manto acuífero, se crea una sobre presión o una depresión con
respecto al nivel estático del manto.
PRUEBA LEUGEON
ENSAYOS LEUGEÓN
Los ensayos Lugeon son análogos a los Lefranc. Lo mismo que estos, se ejecutan
según avanza la perforación, se hace en rocas de baja permeabilidad en pequeño
volumen; pero más o menos fisuradas, es necesario ejercer presiones relativamente
grandes para inyectar el agua en las fisuras. Así pues se calcula la permeabilidad en
grande. Supongamos una perforación invadida hasta una cierta profundidad. A partir
de ella se perforan unos 5 metros. A continuación se fija un obturador en la parte
superior de este tramo virgen y se inyecta agua a presión con una bomba. Un
manómetro colocado en la boca del pozo, un contador de agua y una válvula de
descarga, permiten medir los caudales inyectados a una presión dada.
En general, se mide durante cinco o diez minutos el caudal inyectando a una presión
constante. Después se trabaja con una presión mayor. La gama de presiones a
emplear depende del estado de fisuración, pero al menos se emplean tres o cuatro
valores que se volverán a utilizar cuando se haya alcanzado la presión máxima. Esta
raramente es mayor a 10 kg/cm², ya que existe un límite a causa de la presencia del
obturador y de la potencia de las bombas. Por otra parte, se corre el riesgo de producir
una facturación artificial y trastornos del terreno que falsearían los resultados.
La comparación de los resultados obtenidos con presiones crecientes y decrecientes
es muy instructiva en lo que concierne al comportamiento del terreno. A menudo se
comprueba que, cuando las presiones disminuyen, los caudales son mas elevados
que cuando aumentan a consecuencia del lavado de las fisuras.
Lugeon preconiza expresar los resultados evaluando la absorción con una presión de
410 kg/cm² en litros por minuto y por metro, con una duración del ensayo de 10
minutos. En su honor se suele denominar Lugeon a esta unidad.
Si se expresa en unidades más consistentes, es decir, calculando el coeficiente de
permeabilidad equivalente, se comprueba que un Lugeon vale de 1 a 2x10-7 m/s..
Esta equivalencia solo tiene valor para un determinado grado de fisuración que
justifique un cálculo de este tipo, si los caudales inyectados son pequeños. En efecto,
Lugeon considera únicamente las presiones indicadas por el manómetro que se coloca
en la superficie. Como las perforaciones y la tubería de conducción del agua son de
pequeño diámetro, si los caudales inyectados son grandes y el tramo ensayado es un
poco profundo, las pérdidas de carga en la tubería son del mismo orden de magnitud
que las presiones medidas en el manómetro.
Para poder evaluar correctamente el coeficiente de permeabilidad de las formaciones
que hay que determinar la presión de inyección que existe en el centro de la cavidad.
Por consiguiente, hay que tener en cuenta la profundidad del nivel estático del manto
acuífero y calcular la pérdida ed carga debida a la línea de conducción.
Si no se toma esta precaución, las gráficas del ensayo, expresadas en lugeones
brutos, representan casi exclusivamente la ley de variación de las pérdidas de carga
en la tubería de conducción. No pueden suministrar ninguna indicación sobre el estado
de fisuración de las rocas.
La prueba consiste en inyectar agua a presión en tramos de perforación, lo cual tiene
por objeto tener una idea aproximada de la permeabilidad en grande, o sea debida a
las fisuras de la roca o del material granular cementado estudiado. Se varía la longitud
de los tramos probados, así como la presión a la que se inyecta el agua, La llamada
unidad Lugeon corresponde a una absorción de 1 litro de agua por minuto, por metro
de sondeo, con una presión de inyección de 10 kg/cm2.
En la práctica, la prueba consiste en obtener, para distintos tramos, curvas de gastos
de absorción en función de la presión de inyección.
La longitud de los tramos de perforación en los que se realiza la prueba debe
adaptarse a la naturaleza del terreno. En numerosos casos resulta adecuado el
empleo de tramos de prueba de longitud reducida (1m o aun menos), con objeto de
analizar detalladamente zonas de características excepcionales.
A continuación de muestra el equipo, procedimiento, realización e interpretación de la
prueba.
Equipo, procedimiento, realización e interpretación de la prueba Lugeon
EQUIPO
Un obturador o empaque con su correspondiente tubo de inyección. Existen
numerosos tipos de obturadores. Los mecánicos son adecuados para perforaciones de
diámetro mayor de 90 mm; el sello se logra comprimiendo una serie de rondanas de
hule que presionan sobre las paredes de la perforación.
En los obstructores de la copa de cuero, la presión de inyección acuña una serie de
copas contra las paredes de la perforación; este tipo de obturados requiere que las
perforaciones sean muy regulares y perfectamente cilíndricas. Los obturadores
neumáticos constan de cubiertas cilíndricas de hule que se expanden por inyección de
aire comprimido; estos obturadores son eficientes pero de colocación delicada. En
todos los casos, la longitud del obturador debe ser de 30 cm. por lo menos y de
preferencia de más de 1m.
Una bomba. La bomba necesita para inyectar agua a presión debe ser tal que no
produzca variaciones rápidas de la presión, por tanto, debe usarse una de varios
pistones, o de gusano, pero de preferencia una centrífuga de alta presión.
Medidor de gastos de agua. Solo los medidores de tipo Venturi permiten determinar el
gasto ¿con la precisión suficiente (orden de 1 por ciento)
Uno o varios manómetros. El manómetro empleado para medir la presión debe ser de
buena calidad y encontrarse en buen estado. Se calibrará cuidadosamente por
comparación con un manómetro de precisión. Para evitar daños al manómetro, este no
debe colocarse directamente en la manguera la tubería de desfogue de la bomba, ya
que sufriría el golpeteo debido a funcionamiento irregular de los pistones de la bomba.
Agua. El agua de inyección debe ser limpia y sin materiales de suspensión, para evitar
taponamientos en el medidor de gastos de agua, así como en las fisuras del terreno
por probar, los cuales pueden inducir errores apreciables en la prueba.
PROCEDIMIENTO
Verificación del sello
La colocación de los empaques en la perforación, con objeto de sellar el tramo por
probar, puede resultar muy delicada. Para apreciar la calidad del sello, se inyecta agua
y se observa si sube por la perforación, Si el agua sube, esto puede deberse a dos
causas.
1. La perforación no es regular y el empaque no ajusta.
2. El terreno está muy fisurado y se establece un corto circuito alrededor del
empaque.
En el primer caso es necesario desplazar el empaque algunos centímetros y en
ocasiones algunos metros, hasta poderlo ajustar perfectamente o aumentar la longitud
del empaque para lograr un mejor sello. En el segundo, resulta difícil la realización de
la prueba, y se debe pensar en efectuar otro tipo de ensaye.
REALIZACIÓN DE LA PRUEBA
1. Verificando el sello, se anotan los datos correspondiente al tramo probado:
profundidad del nivel freático (obtenida después de estabilizarse el nivel de
agua en la perforación), profundidad y longitud del tramo probado, diámetro y
longitud de la tubería de inyección.
2. Se aplica el primer incremente de presión de inyección, se observa el gasto
correspondiente, y se espera de 5 a 10 min. a que se estabilice. Se anotan los
valores del gasto y de la presión correspondiente en el registro de prueba.
3. Se repite el paso anterior hasta llegar a un presión máxima de 10 kg/cm2. y se
procede, entonces, a aplicar decrementos de presión, anotando asimismo los
valores de la presión y del gasto correspondiente. La secuencia de presiones
aplicadas puede ser, por ejemplo, de 1, 2, 4, 6, 8, 10, 6, 4, 2, 1,kg/cm 2. Es
conveniente trazar el diagrama gasto-presión conforme progresa la prueba
para ir observando las particularidades de la curva obtenida. La presión
considerada debe e ser la presión efectiva, P, en la zona de prueba, y
obtenerse a partir de la presión leída en la superficie, Pm, tomando en cuanta
las pérdidas de carga en la tubería y en el obturador, Pc, así como la
profundidad del nivel freático con respecto al plano de lectura del manómetro,
Hm,
P = Pm – (Hm / 10) – Pc
Resulta delicado valorar Pc, sobre todo en lo referente a pérdidas de carga en
el obturador; las pérdidas de carga en tuberías pueden calcularse con
nomogramas adecuados, tomando en cuenta la naturaleza del material que las
constituye. Es deseable que se desarrolle un sistema de medición directa de la
presión en la cámara que elimine la grave incertidumbre en cuanto a estas
correcciones.
4. Se calcula el valor de la absorción, en unidades Lugeon, dividiendo el gasto
correspondiente a una presión de 10 kg/cm2, expresado en lt/min, entre la
longitud de la zona probada, expresada en metros. Para dar una idea
aproximada de lo que representa una unidad Lugeon, se puede establecer que,
si se tuviera un medio poroso y homogéneo, en lugar de roca fisurada,
sometido a una prueba de inyección, que diera una absorción igual a una
unidad Lugeon, su permeabilidad sería
INTERPRETACIÓN DE LA PRUEBA.
El valor de la absorción en unidades Lugeon no es la única información que se puede
obtener de esta prueba. La forma de las curvas gasto-presión es muy variable y
depende esencialmente de las características de fisuración de la masa: distribución y
espesor de las fisuras, tipo de relleno de estas, etc. Al aumentar la presión de
inyección, se puede observar que la variación del gasto no es lineal, salvo en contados
casos. El tapamiento y destapamiento de las grietas con materiales de relleno
provocan, a diversas presiones, fenómenos de aumento o disminución de la
permeabilidad. Esta variabilidad de la permeabilidad en grande de la masa debe
tomarse en cuenta para valorar la permeabilidad de diseño de la misma.
A menudo se observan seudo discontinuidades en las curvas gasto-presión las cuales
pueden atribuirse a la abertura y cierre reversibles de las fisuras que provocan una
variación no lineal del gasto con la presión de inyección.
PERMEABILIDAD EN BOQUILLAS
PRUEBAS TIPO LUGEON
Las investigaciones que se hacen sobre la permeabilidad en el subsuelo de una
boquilla, constituye un complemento muchas veces necesario del estudio de su
constitución geológica.
PERFORACION
Será atribución del geólogo localizar las perforaciones donde deben hacerse las
pruebas de permeabilidad en una boquilla.
La perforación se deberá hacer preferentemente con una perforadora rotaria con broca
de diamante, para extraer corazones, pero si existe alguna condición difícil de vencer o
limitaciones económicas, para el uso de este equipo, se podrá aceptar que no se
extraigan corazones usándose en este caso una perforadora rotaria con broca de
tungsteno o una maquina de percusión del tipo Stenuick, siempre haciendo un intenso
lavado del tramo de prueba.
La broca deberá ser preferentemente del tipo NX o sea de 7.6 cm ( 3" ) de diámetro
pero se podrá usar de otro diámetro solo que variando en tal caso, el valor
correspondiente al radio ( r´ ) de la perforación en la formula 3 del valor K.
En la perforación se deberá evitar el uso de barro o bentonita para protección contra
derrumbes.
Si sobre la roca que se desea probar existe una capa de material de deposito o de
arrastre que deba removerse al construir la cortina, convendrá quitarla en el sitio de la
prueba o bien ademarla hasta empotrar el tubo en la roca de cimentación. Si no hay
peligro de derrumbes en ese tramo, se podrá quedar sin ademe.
TRAMO DE PRUEBA
Conviene usar como longitud del tramo de prueba 5.0 m que comenzaran a contarse a
partir de la superficie del terreno o boca de la perforación.
Se avanzara la perforación hasta la profundidad de 5.0 m. Se suspenderá. Se hará un
lavado cuidadoso de la perforación usando agua y se extraerá la barrena.
COLOCACION DEL EMPAQUE
Se introducirá el empaque que deberá quedar en este primer tramo de prueba,
colocado cerca de la boca del pozo o sea cerca de la superficie del manto por probar.
Se deberá usar el tipo de empaque que mejor se adapte a la presión por soportar y a
la constitución del terreno ya sea del tipo neumático o del mecánico.
Cuando la zona superior que cruza la perforación es de material de relleno o roca muy
alterada o agrietada, conviene hacer mas profunda la perforación y bajar el empaque
hasta alcanzar uno de los tramos de 5.0 m de longitud que permita la prueba. En el
registro se anotara el tramo o tramos que no hayan admitido la prueba.
PRESION DE LA PRUEBA
La presión máxima que debe aplicarse a cada tramo es difícil de determinar
teóricamente. Se ha fijado como limite superior 10 kg/cm2 pero al probar una
roca generalmente se tienen causas diferentes, provocadas por la misma
prueba, que alteran su permeabilidad antes de que se alcance esa presión.
Puede suceder que a los 4 kg/cm2 por ejemplo se produzca un lavado o
destapado de grietas que aumente grandemente el gasto de absorción que se
venia observado; también puede producir ese aumento una dislocación o
reacomodo de la roca.
En algunos casos se observa que hay una obturación de los conductos de
absorción por arrastre de material que efectúa el flujo a presión. Cualquiera de
estos cambios que se traducen por el aumento o una disminución de la
permeabilidad de la roca que se estudia; indica que a partir de la presión que la
produce, ya las observaciones no deberán tomarse en cuenta para obtener la
permeabilidad buscada, sino solamente los gastos observados para presiones
menores.
Pude suceder que las grietas de la roca probada se encuentren rellenas de un material
arcilloso que permite solamente un avance, muy lento del agua de tal modo que hasta
después de meses o años llegue a saturarse esa arcilla y reblandecerse hasta hacerla
deslavable por el flujo, produciéndose un aumento grande en la permeabilidad de la
roca con peligro no solamente de perdidas importantes de agua, sino aun de a
estabilidad de la estructura. Naturalmente este es un aspecto que debe estudiarse
cuidadosamente como una de las posibles alteraciones de la permeabilidad original de
la roca, buscando la forma practica en que se obtendrá un indicio sobre el particular,
mediante las pruebas de permeabilidad haciendo intervenir como factor esencial la
duración de la observación de gasto correlacionado a presión.
Es necesario tomar en consideración que la permeabilidad que se desea obtener es la
de la roca tal como se encuentra en la boquilla y que esta se cuantifica en U. L. Que
se supone que no varía con la presión. Por ejemplo si la permeabilidad de la roca es
de 8 U. L esta podrá obtenerse con un gasto de 0.8 litros por minuto y por metro de
perforación con presión de 1 kg/cm2 o de 3.2 lts/min/m con P de 4 kg/cm2 o de 3
lts/min/m. con P de 10 kg/cm2.
La alteración de la permeabilidad de la roca durante la prueba, no significa que la
pantalla de la cortina que se vaya a construir al soportar una presión igual o mayor que
la de prueba, sufrirá una alteración semejante, pues en lo general son menos rígidas
las consideraciones de trabajo que las que se tienen durante la prueba.
De acuerdo con lo anterior, salvo casos de presas con cortinas de más de 100.0 m. de
altura máxima, que serán motivo de estudios especiales, la presión máxima de prueba
conviene fijarla en los 10 kg/cm2. La presión durante la prueba será la que se tenga en
el empaque del extremo superior del tramo y será por lo tanto la equivalente a Hp = H1
+ H2 + Hf
Hp = Carga que corresponde a la presión de prueba.
H1 = Altura que corresponde a la presión marcada en el manómetro.
H2 = Distancia vertical del manómetro al empaque.
Hf = Perdida por fricción en el tubo alimentador desde el manómetro hasta el
empaque.
Si se considera un nivel freático aguas abajo de la pantalla a la carga en los tramos
que queden abajo de ese nivel, habrá que disminuirle la carga igual al desnivel entre el
nivel freático y el tapón del tramo a prueba.
Cada tramo se deberá probar con las presiones escalonadas de 1, 2, 4, 6, 8 y 10
kg/cm2 en el empaque deteniéndose cuando se observe una alteración profunda en la
correlación de gasto a presión y luego se descenderá también por lo mismos
escalones, hasta la presión nula.
En cada caso se tendrá que estar determinando el termino Hf para el gasto de prueba
con el fin de que restado de Hp ( 10, 20, 30m. etc. ) se obtenga la respectiva H1 que
dividida por 10 de la presión en kg/cm2 debe leerse en el manómetro.
Para cada tramo probado la H2 es constante, pero la Hf varia con el gasto bombeado
por lo que para encontrar el valor del gasto que corresponda a una presión dada,
habrá que procede por aproximaciones sucesivas.
REGISTRO DE CAMPO
Se va a probar el tercer tramo de la perforación, el cual tiene su extremo superior o
sea el cerrado por el empaque, a la profundidad Hf = 10.0 m.
Para presión de prueba de 1 kg/cm2 se bombeara el gasto requerido para levantar la
presión en el manómetro a un poco menos del kg/cm2. Con ese gasto se calcula la
correspondiente, por medio de ábaco tabla, o diagrama formada por el equipo que se
use y se vera si se satisface la condición de Hp = H1 + ( H2 – H6 ). Si no se satisface
se aumentara o disminuirá el gasto hasta encontrar el que corresponde a la Hp = 1
kg/m2.
Con cada tramo de prueba se determinara los valores de Q1 para la presión de 1
kg/cm2, de Q2 para 2 kg/cm2, de Q4 para 4 kg/cm2, etc., hasta que estos valores que
indiquen claramente que se ha producido una alteración de importancia en la
permeabilidad de la roca, debiendo después descender las presiones y encontrar los
gastos correspondientes.
Por ejemplo:
Si a los 6 kg/cm2 se encuentra un gasto de absorción que indica alteración de la
permeabilidad de la roca, convendrá hacer todavía la observación con 8 kg/ cm2 y
después se descenderá a 6, 4, 2 y 1 kg/cm2 determinado las Q correspondientes a
cada presión que generalmente son mayores o menores que las observadas con
presiones de prueba ascendentes.
Para encontrar el gasto Q en litros por minuto que corresponden a una determinada
carga de prueba, una vez establecido el régimen del gasto de absorción se deberá
tener en observación por un tiempo que no era menor de 10 minutos.
GRAFICAS PARA DETERMINAR LAS U.L.
Se deberá formar una gráfica para cada tramo de pozo, poniendo en las abscisas los
gastos correspondientes en litros por minuto y por metro de perforación o sea la quinta
parte del gasto en el tramo de 5.0 m y como ordenada las presiones de 1, 2, 4, 6 etc.
kg/cm2. Esta gráfica tendrá tantos puntos en sus ramas ascendente y descendente
como escalones se hayan hecho en la presión.
En un material muy impermeable, es probable que en el primer tramo de 5.0 m. se
pueda aplicar la presión de 1 kg/ cm2 sin producir dislocación, pero ya con 4 kg/cm2
es casi seguro que habrá dislocación y que por lo tanto en la gráfica se contara a lo
mas con dos puntos (1 y 2 kg/cm2) para determinar la permeabilidad en U.L.
En el séptimo tramo de 5.0 m. es probable que puedan aplicarse las presiones de 1, 2,
4 y 6 kg/cm2 sin alterar la permeabilidad de la roca por lo que la gráfica se contara con
mayor numero de puntos para fijar la permeabilidad del tramó en U.L.
En lo general mientras mas profundo sea el tramo probado hay mayores posibilidades
de contar con mas puntos en la gráfica para determinar la permeabilidad
correspondiente.
Mediante este procedimiento se obtendrá gráfica o numéricamente el gasto de
absorción expresado en Lugeones con los datos de gasto en lts/min/m y presión de
inyectado o sea la línea que une el origen de la gráfica con el punto gasto – presión de
la prueba y prolongada hasta cortar la paralela al eje de las abscisas, con ordenada
igual a 10 kg/cm2.
Con las gráficas correspondientes a cada tramo del pozo, se puede representar
también gráficamente la permeabilidad en cada uno de esos tramos y lo que podría
llamarse permeabilidad media del pozo, pero con las presiones sucesivas que
corresponden a cada tramo en una perforación.
INTERPRETACIÓN
Indudablemente la interpretación de los resultados de estas pruebas es lo mas
importante de ellas que deberá hacerla un geólogo con criterio amplio experiencia y
conocimientos sobre el particular.
No debe esperarse una exactitud y concordancia en los resultados de las pruebas que
no la pueden tener por la misma índole del problema, pero seguramente era posible
conseguir informaciones valiosas sobre la cualidad de impermeabilidad del subsuelo
en su aprovechamiento como cimentación de una cortina en la construcción de una
presa dando indicaciones relativamente precisas sobre la factibilidad de aprovechar
una boquilla y en caso afirmativo sobre el tratamiento requerido de la cimentación de
la cortina.
INSTRUCCIONES GENERALES SOBRE OPERACIONES DE CAMPO PARA LA
EJECUCION DE PRUEBAS DE PERMEABILIDAD TIPO LUGEON
ANTECEDENTES
Estas instrucciones para hacer en el campo los ensayos de permeabilidad tipo
Lugeon, así como la forma de llevar los registros, los ha adoptado la secretaria de
Agricultura y Recursos Hidráulicos, con el objeto de estandarizar el procedimiento a
seguir, así como el equipo necesario para su ejecución en las brigadas dependientes
de la subdirección de Geología, encargadas de hacer este tipo de pruebas, sin dejar
de tener en cuenta que existen otros criterios para hacerlas, llegando a resultados
semejantes.
Al formular estas instrucciones se tomo en cuenta lo especificado por el consultivo
Técnico en sus memorándum de pruebas de permeabilidad y las disposiciones de
operación tomadas por esta subdirección para la ejecución de dichas pruebas en
rocas fracturadas.
CONSIDERACIONES GENERALES
Los estudios e investigaciones que se hacen para determinar, la permeabilidad en el
subsuelo de una boquilla o vaso en un complejo de información necesario, ay que la
perforación de un pozo con extracción de muestras, no es suficiente para conocer el
estado real del terreno.
Es indispensable localizar en que perforaciones de reconocimiento se efectuaran las
pruebas de permeabilidad de las programadas para el estudio geológico de la boquilla
y del vaso, ya que de preferencia las pruebas deben hacerse en estos sondeos.
La permeabilidad a través de agrietamientos o fisuras en la roca, se mide por medio de
las pruebas Lugeon efectuadas en el sitio de la perforación. La dimensión de los
bloques de roca impermeable, separados por fracturas es despreciable, si se compara
con la permeabilidad a través de ellas o de fisuras.
Para conocer la permeabilidad de una formación de rocas compactas fracturadas, es
necesario que existan estas para facilitar la cuantificación del gasto que se infiltra al
efectuar la prueba de permeabilidad en la perforación que se esta haciendo.
PERFORACION
La perforación se deberá hacer preferentemente con una perforadora rotaria con broca
de diamante, para extraer núcleos de roca, pero se podrá hacer también con
perforadora rotatoria con broca de tungsteno, sin extraer corazones; o como ultimo
recurso, con maquina de percusión tipo Stenuick, siempre haciendo un intenso lavado
del tramo de prueba.
Es indispensable que el procedimiento de perforación no modifique las condiciones
naturales de la roca, por lo que deberá evitar el uso de barro o bentonita para la
protección de caídos, ya que con esto taponarían las pequeñas fisuras del terreno. La
perforación con agua limpia es indispensable, aunque esta condición no es suficiente
porque con cualquier perforadora, con mas o menos intensidad, los sedimentos de los
cortes taponan las paredes del pozo; sin embargo, esto no se puede
evitar, pero si se disminuye con el lavado de la perforación.
Cuando haya peligro de derrumbes en la zona superficial, por existir materiales de
deposito o de arrastre, que probablemente sean removidos al efectuar las
excavaciones de limpia, convendrá además esta capa hasta empotrar el tubo en la
roca.
Es necesario evitar hacer las pruebas de permeabilidad sobre longitudes de
perforación demasiado grandes, si se desea tener una permeabilidad real del terreno.
Una longitud máxima de 5.0 m , para un tramo, es conveniente para el caso de que se
utilice como limites el empaque y el fondo de la perforación. En el caso de usar sonda
de doble empaque, cuya separación limita la longitud del tramo por probar, esta
subdirección ha adoptado una longitud de 1.50 m por conveniencia de operación, por
tratarse de empaques mecánicos.
PROCEDIMIENTOS
Se avanzara la perforación hasta una profundidad de 5.0 m, suspendiéndola, y se hará
un lavado cuidadoso del pozo utilizando el varillaje de perforación que se extraerá al
terminar la operación. La longitud de 5.0 m como es tentativa, puede variara por
condiciones que se encuentren al perforar, sobre todo cuando se aprecia perdida de
agua de la perforación, donde conviene obtener información por medio de una prueba
de permeabilidad, aun cuando el tramo perforado sea pequeño.
Se introducirá el empaque que deberá quedar situado en la parte superior del tramo
por probar, que quedara limitado por este y el fondo de la perforación. Se deberá usar
el tipo de empaque que mejor se adapte a la constitución del terreno y a la presión por
soportar, ya sea de tipo neumático o mecánico.
INSTRUCCIONES GENERALES SOBRE OPERACIONES DE PRUEBAS DE
PERMEABILIDAD
CONSIDERACIONES GENERALES
Las pruebas sobre permeabilidad en una boquilla en estudio, son operaciones de
campo básicamente encaminadas a conocer el grado de permeabilidad de la
cimentación de una cortina que se proyecta construir.
Determinación de permeabilidad en la boquilla como complemento necesario de su
estudio geológico.
Se considera para esta exposición de carácter general, que hay dos tipos esenciales
de materiales del subsuelo, desde el punto de vista de la facilidad mayor o menor que
presente para el paso de un flujo de agua a través de su constitución siendo las que
tienen permeabilidad en pequeño y las que corresponden a permeabilidad en general.
Los materiales que para los fines de este instructivo se consideran con permeabilidad
en pequeño, son todos los granulares, incluyendo las arcillas, limos, arenas y gravas.
Se consideran con permeabilidad en grande, las rocas con juntas fracturas, fisuras,
lajeados y grietas, vacías o rellenas de material granular.
Para la permeabilidad en pequeño si es posible obtener una muestra inalterada del
campo, se podrá determinar en el laboratorio, pero la permeabilidad en grande solo se
podrá medir mediante operaciones en el campo.
En una roca fisurada existe la permeabilidad en grande por el flujo que se establece a
través de los huecos o fisuras y ante la magnitud de este flujo, la permeabilidad en
pequeño de los bloques que quedan limitados por las fisuras, resulta despreciable. En
la mayor parte de los casos la permeabilidad en rocas fisuradas podrán definirse como
coeficientes de permeabilidad semejante a los determinados y usados para materiales
granulares.
Las pruebas de permeabilidad a que se refiere el presente instructivo, consisten en
inyectar agua en el terreno por medio de una perforación, en tramos de ella de longitud
conocida, con presiones escalonadas registrando los gastos correlativos que se
aplican.
Es indudable que el gasto Q de absorción provocado por la inyección del agua, esta
ligado a la presión en el tramo de perforación por una ley que ira desde la formula
conocida de:
En la que admitiendo que el escurrimiento es laminar y que por lo tanto puede
aceptarse para la velocidad la expresión
Resulta aplicable la formula
hasta una en que el escurrimiento sea turbulento y en el que seguramente no es
aplicable la formula de Darcy. La transición de uno a otro limite es paulatina y por lo
tanto va siendo también paulatina la posibilidad de ampliar el uso de la formula
anterior.
Cuando se investiga permeabilidad en formaciones geológicas que no son granulares,
conviene expresar la como un gasto de absorción con una unidad adoptada.
La unidad Lugeon ( U. L ) es el gasto de un litro por minuto en 1.0 m. de longitud en el
tramo de prueba, bajo la presión de 10 kilogramos por centímetro cuadrado.
Se admite que la perforación en el tramo de prueba no tiene ademe y que es de 7.6
cm ( 3") de diámetro aproximadamente. Los tramos de pruebas conviene que sean de
5.0 m. y se deben hacer las pruebas conforme avance la perforación, para que el
fondo de ella, constituya el limite inferior de ese tramo, quedando como superior el
empaque u obturador del tipo que sea mas conveniente para la formación geológica
que se prueba.
Con el fin de hacer comparables los datos que se obtengan las pruebas de
permeabilidad se llega a un equivalente del valor de K de la formula (3) al valor del
Lugeon, para que queden expresadas las permeabilidades en grande en Lugoones y
también con sus valores equivalentes en coeficientes K de permeabilidad. Para esta
transformación se requiere para cada caso, admitir en primer lugar que solo se trata de
establecer una similitud, pero sabiendo que el gasto Q estará en función de K
determinada con los valores que en seguida se señalan y además, que estos valores
son solo estimativos:
Log 500/ 3.8 = log 131.7 = 2.12
Q = un litro por minuto = 0.0000167 m3/s
Se admite como valor de r el de 500 cm. y el de r como 3.6 cm.
B=1m
H = H1 + H2 + Hf = 10 kg/cm2 = 100 m.
K = 2.3 x 0.0000167 x 2.12
Admitiendo la equivalencia en esas condiciones, se podrá siempre expresar la
permeabilidad como gasto de absorción en Lugeon ( U. L .) o en su coeficiente
aproximado de permeabilidad ( K ).
Por comodidad en el campo y por ser valor real, se usara el Lugeon como se ha
definido antes.
Conviene adoptar como tramo de prueba 5.0 m. pero cualquiera que sea el que se
use, el primer paso para transformar un gasto de absorción (Q en litros por minuto) en
Lugeon ( U. L. ) es dividirlo por la longitud del tramo ( b ) en metros.
El gasto de absorción en litros por minuto y por metro, para la presión P en kg/cm 2 se
tendrá que multiplicar por 10/P admitiendo que hay correlación en línea recta entre
presión y gasto.
Ejemplos:
Para un gasto de absorción de 15 litros por minuto en prueba con tramo de 5 m. y
presión de 6 kg/cm2 se tendrán.
Para un gasto de absorción de 30 litros por minuto en tramo de prueba de 15.0 m con
presión de 10 kg/cm2 se tendrá.
Para un gasto de absorción de 60 litros por minuto en prueba de un tramo de 5.0 m
con presión de 12 kg/cm2.
Fin