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HIDROGEOLOGA ISOTPICA APLICADA EN GRANDES PRESAS: LOCALIZACIN DE
FILTRACIONES
HIDROGEOLOGA ISOTPICA APLICADA EN
GRANDES PRESAS: LOCALIZACIN DE FILTRACIONES
JAVIER MORENO SNCHEZ Gea Medioambiente, S.L. (Terratest)
[email protected]
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FILTRACIONES
HIDROGEOLOGA ISOTPICA APLICADA EN GRANDES PRESAS: LOCALIZACIN DE
FILTRACIONES. 1.- INTRODUCCIN La hidrogeologa isotpica aplicada a
los proyectos de construccin y mantenimiento de grandes presas es
una disciplina de gran utilidad para la localizacin y cuantificacin
de las fugas y filtraciones que tienen lugar desde el embalse. En
muchos casos, las filtraciones conducen a la reduccin de los
coeficientes de seguridad inicialmente adoptados, especialmente en
las presas de materiales sueltos, donde se pueden generar graves
problemas de consolidacin y estabilidad. En otros casos, los
elevados El estudio de las filtraciones requiere un anlisis
minucioso de la geologa e hidrogeologa, a pequea escala,
determinando la distribucin de los parmetros hidrulicos que
conducen a la generacin e incremento de los flujos subterrneos.
Normalmente, la metodologa de la hidrogeologa clsica mediante la
ejecucin de sondeos, estudios geofsicos y piezomtricos, y ensayos
de inyeccin (Lefranc, Lugeon y Gilg-Gavard, etc.) no es suficiente
para la determinacin del problema, y son precisas otro tipo de
metodologas como la representada por los trazadores naturales del
agua, tambin denominadas tcnicas isotpicas. En este captulo se
presenta el estudio realizado en la Presa de Caspe II, situada en
los Trminos Municipales de Caspe y Maella, en la Provincia de
Zaragoza, donde fueron aplicadas todas estas tcnicas para localizar
y cuantificar las filtraciones que se producan a travs de la
cerrada de la presa. 2.- ANTEDECENTES La Presa de Caspe II que se
localiza en los Trminos Municipales de Caspe y Maella, en la
provincia de Zaragoza. La capacidad del embalse es de 81,6 hm3.
Forma parte del sistema de regulacin conjunta del ro Guadalope,
junto con las presas de Santolea, Calanda y la
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Estanca, y la presa de Gallipun en su afluente del Guadalopillo,
situadas todas ellas aguas arriba de sta. Se trata de una presa de
materiales sueltos zonificada de 41 m de altura mxima sobre el
cimiento y una longitud en coronacin de 400 m. Est formada por
espaldones de zahorra, aguas arriba protegido por escollera, y un
ncleo central impermeable de arcilla. Entre ambos materiales se
instal un filtro de grava. Bajo el ncleo de arcillas se habilit una
galera de inspeccin, desde la que se ejecut una pantalla
impermeable mediante taladros con inyecciones de cemento. El
sistema de drenaje, del paramento aguas abajo, est formado por un
repi de escollera que vierte en un canal de drenaje, donde se
perfor una pantalla drenante (Ver Figura 1).
Figura 1: Seccin tipo de la presa
El sustrato geolgico de la presa est constituido por una
alternancia subhorizontal de bancos de margas y areniscas, con
intercalaciones de rocas evaporitas, de carcter sin-sedimentario, y
yeso recristalizado, rellenando fracturas y diaclasas. La presa
comenz a construirse en octubre de 1983 y se termin a finales de
1987. Al llevar a cabo el primer llenado, en febrero de 1988, se
detect un proceso generalizado de filtraciones a travs del sustrato
de la presa que fue corregido con un tratamiento desde la galera de
inspeccin, mediante la inyeccin de cemento a travs de taladros. Un
ao despus del llenado, en marzo de 1990, las filtraciones se
registraron en la margen izquierda de la presa, procedindose a su
impermeabilizacin y, posteriormente, se reforzaron las inyecciones
de la primera campaa a lo largo de la cerrada de la presa con
cemento Tipo I 42,5. En julio de 2003 se detect un incremento
anmalo de los niveles piezomtricos en los taladros de la pantalla
drenante, instalada a continuacin del repi de escollera. Todos
los
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indicios parecan apuntar que se trataba, nuevamente, de un
proceso de filtraciones generado a travs del sustrato de la
cerrada, por disolucin de sales evaporitas. 3.- TRABAJOS REALIZADOS
El objetivo de las actuaciones realizadas fue la deteccin,
cuantificacin y prevencin de las filtraciones que dieron lugar al
incremento del nivel fretico aguas abajo de la presa. Se trataba de
investigar el proceso que las originaba con el objeto de llevar a
cabo un tratamiento de emergencia para la consolidacin e
impermeabilizacin del sustrato de la cerrada.
El estudio se orient a la definicin de las unidades
litoestratigrficas y estructuras de inters en el flujo de las aguas
subterrneas. Bsicamente, se trataba de identificar la presencia de
niveles permeables, las relaciones hidrulicas entre ellos, la
velocidad de flujo a travs de los niveles ms transmisivos, el
origen y calidad de las aguas, y dems aspectos que pueden
intervenir en la estabilidad de la presa desde el punto de vista de
la existencia de filtraciones. Se defini el comportamiento
hidrogeolgico de los materiales; se establecieron los parmetros
hidrulicos, y se trat de reconocer y localizar las posibles zonas
donde pudieran tener lugar las filtraciones, valorando la
incidencia que pudieran tener sobre el entorno ms prximo. Asimismo,
se efectu un estudio fotogeolgico, a partir de pares estereoscpicos
areos, desde un enfoque hidrogeolgico, con objeto de establecer la
geometra de las estructuras permeables, la presencia de zonas de
falla, discontinuidades, y cuantos aspectos resultarn de inters
para la caracterizacin hidrogeolgica de los materiales que
conforman el sustrato de la cerrada.
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Para el conocimiento del comportamiento hidrogeolgico de los
materiales, se ha llev a cabo una campaa de perforacin de sondeos
con recuperacin de testigo, para el levantamiento de la columna
litolgica y su testificacin geofsica. Se efectuarn 13 sondeos en el
interior de la galera de inspeccin, 3 en el estribo izquierdo, 2 en
el derecho y 9 en la zona aguas abajo de la cerrada. Durante la
realizacin de los sondeos se llevaron a cabo ensayos hidrodinmicos
in situ tipo Slug y Lugeon, de doble obturacin. Adems, se procedi
al inventario y anlisis de la informacin aportada por los
piezmetros instalados, anteriormente, por el Servicio Geolgico de
Obras Pblicas (Ver Figura 2). Figura 2: Localizacin de sondeos. En
la testificacin litolgica de los sondeos se a hizo especial hincapi
en el registro del grado de recuperacin del testigo, se procedi a
medir el ndice de calidad de la roca (R.Q.D.) y se localizaron las
discontinuidades de carcter estructural. Estas tareas de
investigacin en los sondeos, se vieron complementadas con la
realizacin de registros geofsicos o diagrafas: se tom medida
de:
Radiacin Gamma Natural. Resistividad Normal con doble espacio
(16-64) Resistencia monoelctrica. Autopotencial, y Calibre del
taladro.
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El conjunto de todos estos ensayos permitieron determinar las
caractersticas hidrogeolgicas y geotcnicas de cada uno de los
macizos rocosos atravesados, fundamentalmente, para identificar las
zonas con presencia de discontinuidades, zonas fracturadas y zonas
karstificadas (Ver Figura 3). En todos los sondeos se procedi a la
toma de muestras del agua para analizar en laboratorio. El estudio
de la composicin qumica de las aguas subterrneas es una herramienta
fundamental en la interpretacin del comportamiento hidrogeolgico
del sistema. Esta tarea permite definir con mayor grado de
exactitud el modelo conceptual de funcionamiento del sistema. Para
el anlisis e interpretacin de la geoqumica de las aguas se han
utilizado diagramas hidroqumicos triangulares
(Piper-Hill-Langelier) y grficos de calidad qumica tipo
Scholler-Berkaloff. Figura 3: Diagrafas. Este tratamiento de la
informacin ha permitido visualizar, y poner de manifiesto, las
posibles relaciones y conexiones entre los materiales dentro y
fuera del vaso de la presa, ofreciendo una clara idea de las
caractersticas qumicas y de las relaciones y caminos seguidos por
las filtraciones a lo largo del sustrato de la presa. En este
sentido, otra herramienta fundamental para el estudio del
funcionamiento del sistema hidrogeolgico ha sido el anlisis de los
istopos ambientales del agua: el Deuterio y el Oxgeno-18. Estos
anlisis aportan una valiosa informacin de la historia evolutiva
seguida por el agua en el medio subterrneo, determinando el origen
del agua almacenada, la conexin entre distintas masas de agua, el
tiempo de renovacin, el camino evolutivo y su periodo de
trnsito.
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Figura 4 : Ensayo de Trazador Salino 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46
14 16 18 20 22 24 26 28 30 Co nductividad (mS/cm)
t=5 min t=15 min t=30 min t=1 h t=6 h t=18 h t=26 h t=32 h
Asimismo, en todos los sondeos se han llevado a cabo ensayos de
flujo consistentes en el marcado de la columna de agua con un
trazador salino (cloruro sdico) y en el registro de la evolucin de
la conductividad (y la temperatura) a lo largo de un espacio de
tiempo. Esta tcnica permite la identificacin y medida de los flujos
subterrneos, tanto horizontales como verticales; localizando las
zonas ms permeables por porosidad intergranular, fracturacin y/o
karstificacin, a travs de las cuales se produce la circulacin del
agua (Ver Figura 4).
En las zonas donde se detect la mayor circulacin de las aguas,
se realizaron sondeos de mayor dimetro, separados entre 10 y 15 m,
para llevar a cabo ensayos de Tomografa Ssmica Cross-Hole. Esta
tcnica consiste en la medicin, entre dos sondeos situados prximos
entre s, de la velocidad de transmisin de las ondas de compresin
(Vp) a travs del macizo rocoso. Su importancia radica en que los
valores de este parmetro dependen del grado de compacidad e
integridad estructural de los materiales y, por tanto, estn
directamente relacionados con la calidad del macizo rocoso. Las
posibles heterogeneidades puntuales del terreno, como son las zonas
de falla, cavidades, karstificaciones y contactos entre unidades
lito-estratigrficas, representan contrastes muy notables en la
distribucin de los valores de Vp del medio rocoso.
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Finalmente, se han efectuado ensayos de inyeccin de Fluorescena
en ambos estribos de la presa, con objeto de cuantificar la
velocidad del flujo subterrneo y establecer las vas de migracin de
las filtraciones a travs del sustrato de la cerrada. Para ello
fueron instalados fluocaptores en los piezmetros situados aguas
abajo de la presa que han sido retirados paulatinamente, a lo largo
del tiempo, y en funcin de los resultados que se obtenan en el
laboratorio. Lo que ha permitido localizar con toda claridad las
zonas de circulacin de las aguas filtradas desde el embalse. Como
resultado de los estudios se ha efectuado una modelizacin geoqumica
de las filtraciones a travs del sustrato de la presa para conocer
la capacidad de disolucin de las especies qumicas. En medios donde
abundan las rocas evaporitas, el agua se mineraliza por disolucin
de las ms solubles. El equilibrio qumico se alcanza despus de
grandes periodos de tiempo en contacto con la matriz de la formacin
acufera. Cuando la circulacin es relativamente rpida, el agua puede
alcanzar su estado de saturacin para ciertas especies qumicas, pero
a medida que desaparecen los iones alcalino-trreos, nuevamente
adquiere capacidad para disolver por efecto del in comn. De esta
forma, el agua puede presentar elevadas concentraciones de iones
sulfatos asociados a la presencia de elevadas concentraciones de
iones alcalinos, de forma que se conserve la electro-neutralidad de
la mezcla. Dado el elevado nmero de variables que intervienen en el
proceso, para analizar y predecir el comportamiento geoqumico de
las aguas, en el entorno inmediato de la presa, y conocer la
capacidad de disolucin y precipitacin de las especies qumicas ms
solubles, se ha utilizado el programa de modelizacin geoqumica
PHREEQC (Parkhurst y Appelo, 1999). 4.- RESULTADOS Y DISCUSIN En la
cerrada de la presa se han identificado bancos de areniscas con
intercalaciones de margas; dentro de las margas se han diferenciado
paquetes de margas yesferas y margas arenosas, todos ellos con una
disposicin subhorizontal. En general todos los materiales se
presentan muy compactos, con una fracturacin no muy intensa. El
conjunto de los materiales presentan una baja permeabilidad. A
partir de los resultados obtenidos, se aprecia que existen dos
zonas con notables diferencias frente a la
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conductividad hidrulica del terreno. La zona central de la
cerrada arroja un coeficiente de permeabilidad del orden de 10-8
m/s, mientras que en los estribos aumenta a 10-5 m/s. La circulacin
del agua se efecta a travs de las discontinuidades estructurales,
tales como diaclasas, fisuras, planos de estratificacin o niveles
de disolucin. En la mayor parte de los casos, se trata de
microfisuras parcial o totalmente recristalizadas por yeso
precipitado. En otros casos, la circulacin de aguas no saturadas en
las especies minerales, favorecen la aparicin de nuevos niveles de
disolucin. Bajo la cerrada se ha detectado la presencia de aguas
procedentes de la precipitacin local, muy mineralizadas por
envejecimiento, en equilibrio qumico con la formacin geolgica. Son
aguas almacenadas a lo largo del tiempo, sin apenas capacidad de
movilizarse. Por otra parte, a travs de las discontinuidades
estructurales del medio rocoso, se ha registrado la circulacin de
las aguas del embalse. stas proceden de otro contexto geolgico; son
aguas poco evolucionadas, potencialmente agresivas por su capacidad
de disolucin de las especies qumicas ms solubles que se encuentran
en el sustrato de la presa. En la Figura 5 se recoge la
interpretacin de los resultados de los istopos estables, donde se
puede observar el agrupamiento de las muestras en funcin de su
origen, sobre la base de los resultados de los istopos estables del
agua.
Desviacin isotpica de O18 y D
-60
-55
-50
-45
-40
-35
-30-9 -8,5 -8 -7,5 -7 -6,5 -6 -5,5 -5
O18 (%)
D (%
)
Embalse SuperficieEmbalse Fondo
Precipitaciones
Lnea Meterica Global
Figura 5: Desviacin isotpica D y O18
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El Tritio de origen termonuclear y su distribucin confirmaron
estos resultados. Las aguas detectadas en los estribos de la presa
se corresponden con aguas modernas, procedentes de las
precipitaciones de los ltimos aos. Mientras que en la zona central
de la cerrada, las aguas son anteriores a las precipitaciones del
ao 1953, fecha en la que se iniciaron los ensayos nucleares en la
atmsfera. Hidroqumicamente, las aguas del embalse pertenecen a la
Facies Bicarbonatada Clcico-Magnsica, con una moderada presencia de
sulfatos como consecuencia de la disolucin de los yesos del entorno
geolgico. Las aguas poco evolucionadas pertenecen a la Facies
Sulfatada Clcico-Magnsica que evoluciona a Sdica. El proceso de
mineralizacin del agua se ha producido como consecuencia de la
disolucin de las evaporitas por contacto con la matriz del terreno,
y por los procesos incipientes de intercambio inico con las
arcillas del medio. Las aguas muy evolucionadas pertenecen a la
Facies Sulfatada Sdica, con una mineralizacin muy acusada debido al
elevado periodo de residencia en el terreno, se puede hablar de
aguas fsiles (Ver Figura 6). El acusado incremento en el contenido
de sulfatos (SO4=), as como de sodio (Na+), superior a los cloruros
(Cl-) y el ascenso del magnesio (Mg++) frente a los bicarbonatos
(CO3H-), puede ser explicado por la disolucin de minerales
sulfatados clcicos, sdicos y magnsicos como el Yeso (CaSO42H20),
Thernardita (Na2SO4), Mirabilita (Na2SO410H20), Epsomita
(MgSO47H20) y Glauberita (Na2Ca(SO4)2) de los cuales se conoce su
existencia en la formacin Zaragoza (IGME, 1980).
Figura 6: Grfico de Piper
Aguas muy evolucionadas
Aguas poco evolucionadas
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El potencial de disolucin disminuye en la medida que las aguas
circulan a travs de la formacin, hasta que se alcanza el lmite de
saturacin de cada una de las especies qumicas susceptibles de
disolverse. No obstante, la circulacin continuada de las aguas con
poder de disolucin dar lugar a un proceso activo, que se
incrementar con el tiempo. En la Figura 7 se recoge el perfil
geolgico de la cerrada con la localizacin de las filtraciones.
Figura 7: Perfil Geolgico y Localizacin de Filtraciones La
circulacin de las aguas a travs de la formacin geolgica se va a
producir de forma estratificada. Las aguas del embalse al estar
menos mineralizadas, y presentar menor densidad, van a tener la
tendencia a situarse sobre las aguas de formacin, muy
mineralizadas, que presentan mayor densidad. Este hecho va a
generar que el mayor potencial de disolucin tenga lugar en las
zonas altas, es decir, en los estribos. Mientras que en las zonas
ms profundas, donde mayoritariamente se localizan las aguas de
formacin, el potencial de disolucin ser menor. Se han registrado
velocidades de filtracin que varan entre 0,1 a 9 mm/s, en funcin
que la circulacin del agua se efecte a travs de la porosidad de la
roca o bien, a travs de microfisuras o zonas de fracturacin. En
funcin de la capacidad de disolucin de las aguas en cada zona, se
pueden apuntar las siguientes consideraciones:
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- En el Estribo Derecho se est produciendo una disolucin media
de rocas
evaporticas, con una concentracin de sales en las aguas de unos
8,1 g/l. Suponiendo que el caudal medio de filtraciones es de 7
m3/d, se tienen un total de 20,8 tn/ao de sales disueltas.
- En la Zona Central, se produce una disolucin baja de especies
minerales, con una concentracin en las aguas de unos 10,9 g/l.
Suponiendo un caudal medio de filtraciones de 3 m3/d, se tienen un
total de 11,9 tn/ao de sales disueltas en esta rea.
- En el Estribo Izquierdo, se produce una disolucin acusada de
rocas evaporitas, la concentracin de sales en las aguas es de unos
5,7 g/l. Suponiendo que el caudal medio de filtraciones de 9 m3/d,
se tienen un total de 18,7 tn/ao de sales disueltas.
5.- CONCLUSIONES Las filtraciones de aguas del embalse se han
detectado, fundamentalmente, en el
estribo izquierdo (9 m3/d) y en el derecho (7 m3/d), mientras
que en la zona central de la cerrada son de menor magnitud (3
m3/d).
Las filtraciones se producen a travs de discontinuidades
estructurales: fracturas y
diaclasas, contactos litolgicos y/o por procesos de disolucin
(zonas karstificadas) a lo largo de la cerrada de la presa.
En los estribos las filtraciones se han localizado hasta los 50
m de profundidad bajo
la cota de coronacin, mientras que en la zona central se
localizan aproximadamente a los 10 m de profundidad, y de menor
entidad en torno a los 30 m.
Los mayores niveles de disolucin de las rocas evaporitas se
pueden producir en el
estribo derecho, con un total de 20,8 tn/ao, mientras que en el
izquierdo se estima que son de 18,7 tn/ao, y en la zona central de
11,9 tn/ao.
No obstante, la mayor incidencia parece que se localiza en el
estribo izquierdo al
detectarse en una zona relativamente limitada y muy prxima al
cimiento de la presa.
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La baja permeabilidad del terreno (10-5 a 10-8 m/s) que se
produce, fundamentalmente, a travs de microfisuras y fracturas de
escaso desarrollo, y en segundo lugar a travs de la porosidad de la
roca, recomienda que la pantalla de impermeabilizacin se lleve a
cabo mediante la inyeccin de microcementos tipo Spinor A-12 o
similar.
6.- AGRADECIMIENTOS Agradecemos la oportunidad de presentar este
captulo a la Confederacin Hidrogrfica del Ebro y, especialmente, al
Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos D. Honorio Morlans Martn,
que fue el Director del Contrato. Bibliografa: BAQUER BARRIENTOS, E
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