estudio de la geomecanica

7/30/2019 Estudio de la geomecanica

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CONSULTANCY & TRAININGwww.intercade.o

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Dr. Roberto Poncela PoncelaConsultor Intercade

CARACTERISTICAS HIDRAULICASDE INTERES EN MINERIA

Y MODELAMIENTO HIDROGEOLOGICOCOMPUTACIONAL

Dr. Roberto Poncela Poncela - Consultor Intercade

INTRODUCCION.1. CARACTERISTICAS Y FACTORES GEOLOGICOS IMPORTANTES.2. EL AGUA EN EL MACIZO ROCOSO.3. COMPORTAMIENTO HIDRAULICO EN EL MACIZO ROCOSO.4. CALCULO DE APORTE DE AGUA.5. DISEO DE CUNETAS.6. SISTEMAS DE DRENAJE Y BOMBEO DE AGUA7. SISTEMAS DE CONTROL DE AGUA.8. MODELAMIENTO HIDROGEOLOGICO COMPUTACIONAL.9. BIBLIOGRAFIA.

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INDICE


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EL AGUA EN LA TIERRA

ATMOSFERA.AGUAS CONTINENTALES.OCEANOS Y MARES.

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HIDROGEOLOGIA+

EXPLOTACION MINERA

ALTERACION DEL CICLOHIDROLOGICO NATURAL

ELEVADOS COSTES DE ACTUACION(> 1/3 COSTE DE EXPLOTACION) AGUA

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Problema a resolver en la mina (caudal calidad). Desde el punto devista hidrodinmico la mina acta como un sumidero de las aguassubterrneas cuando se sita por debajo del nivel piezomtrico.Activo ambiental y ecolgico.

Drenaje minero: valorar, minimizar y optimizar laevacuacin de recursos hdricos. Impermeabilizacin. Aislamiento. Desvo.


El CICLO HIDROLOGICOse define como una unidad integral quedescribe el movimiento continuo (movimientos y transferencias) de lasmasas de agua de la HIDROSFERA(constituida por la atmsfera y lascapas superiores de la corteza terrestre, y en sus tres estados: slido,lquido y gaseoso).

CICLO HIDROLOGICO

Desde el punto de vista de laHIDROLOGIAel estado lquido es el quemuestra mayor inters ya que en esa forma se encuentran:

La lluviaLos rosLos lagosLas aguas subterrneas:

Zona saturada Zona no saturada (gran proporcin)

CHRADIACION SOLAR GRAVEDAD

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Fuente: Instituto Geolgico y Minero de Espaa (IGME, 2001)

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1.CARACTERISTICAS Y FACTORESGEOLOGICOS IMPORTANTES

La GEOLOGIAes la disciplina que aporta a laHIDROGEOLOGIAel conocimiento de todos los condicionantes referentes al mediosoporte (ROCA ALMACENo ACUIFEROen sentido amplio), dadoque las posibilidades de almacenamiento de fluidos (en particularagua subterrnea ) dependen de las caractersticas geolgicas delas formaciones litolgicas concurrentes.

Los principales factores que controlan la formacin de unaroca almacn o acufero son:

La LITOLOGIAde la formacin acufera.La ESTRUCTURA: Tanto gentico - deposicional comotectnico - geomecnica.


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1.1.LITOLOGIA

La LITOLOGIAde la formacin acufera presenta las siguientessingularidades:

CONTROL DE:

El quimismo del agua.La formacin de acuferos propiamentedicha.La capacidad de almacenamiento delagua subterrnea.La capacidad de circulacin del aguasubterrnea.La permeabilidad horizontal y vertical.La anisotropa horizontal y vertical.Otros.

CARACTERISTICAS

Textura.Porosidad.Porcentaje.Tamao.Distribucin granulomtrica.Estructura (diagnesis o procesogentico).Permeabilidad.Solubilidad.Heterogeneidad espacial: cambioslaterales y verticales de facies.Otras.


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1.2. ESTRUCTURALa ESTRUCTURAdefine las dimensiones y la geometra. Estas sontanto de mbito regional (diferentes sistemas hidrogeolgicos) comolocal (acufero) y presenta las siguientes singularidades:

CONTROL DE:

La extensin de la roca almacn oacufero: Continuidad espacial. Discontinuidad espacial.

La circulacin del agua subterrnea,en funcin de las disposicin de lasunidades litolgicas en el espacio y laLey de Darcy.Las condiciones de contorno: Los lmites de los acuferos. Los tipos de barreras que se

puedan presentar.La red de drenaje superficial.Otros.

CARACTERISTICAS

Procesos diagenticos (deconsolidacin) ligados a la presenciade discontinuidades y accionesgeomecnicas durante estosprocesos.Esfuerzos geotectnicos: distensivosy/o compresivos.Esfuerzos tectnicos locales(fracturacin, diaclasacin,plegamiento, etc.).Comportamiento geomecnico del

macizo (asentamientos diferenciales,subsidencias, etc.).


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1.3. SISTEMAS HIDROGEOLOGICOS

Se puede definir un SISTEMA HIDROGEOLOGICOcomo unaacumulacin de agua subterrnea susceptible de ser alumbrada yexplotada dentro de un dominio geomtrico-litolgico-estructural,limitado por divisorias de aguas subterrneas (lneas de flujo nulo), y enel que los flujos subterrneos confluyen hacia salidas definidas(manantiales, ros, lagos, mares, etc.).

Los principales tipos de lmites de los sistemas hidrogeolgicos son:

LITOLOGICOS: Condicionados fundamentalmente por una variacinen la permeabilidad de la formacin.ESTRUCTURALES: Condicionados por la presencia y actuacin defactores tectnicos, tanto locales como regionales (diaclasas,fracturas, pliegues, etc.).HIDROGEOLOGICOS: Divisorias de aguas subterrneas, presenciade ros influentes, lagos, mares, etc.MIXTOS: Combinacin de alguno o todos de los anteriores.


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Para caracterizar la geometra de estos sistemas se deben realizar unaserie de prospecciones basadas en:

Tcnicas GEOLOGICAS CONVENCIONALES.Tcnicas de EXPLORACION DEL SUBSUELO:

DIRECTAS: perforacin de sondeos y toma de muestras paraanlisis.

INDIRECTAS: principalmente tcnicas geofsicas y geoqumicas.

Tcnicas de SENSORES REMOTOS TELEDETECCION.

Los sistemas hidrogeolgicos de mayor productividad, en general, selocalizan en los siguientes contextos geolgicos:

Cuencas sedimentarias.Depsitos aluviales.Unidades crsticas.


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1.4. FORMACION GEOLOGICA VERSUSACUIFERO

No todas las formaciones geolgicas capaces de almacenar agua soncapaces de transmitirla, por lo que el concepto de acufero quedainexorablemente ligado a esas dos propiedades de la roca almacn. Deacuerdo con ese planteamiento se definen los siguientes trminos:

ACUIFERO: Formacin geolgica capaz de almacenar y transmitir agua,bien hacia surgencias naturales o hacia captaciones artificiales (arenas ygravas, calizas carstificadas). Interesantes para su explotacineconmica.ACUITARDO: Formacin geolgica capaz de almacenar volmenesimportantes de agua pero que son transmitidos lentamente (arcillaslimosas y limos). En general, poco interesantes para una explotacineconmica.ACUICLUDO: Formacin geolgica capaz de almacenar agua (inclusohasta saturacin) pero que no la transmite (arcillas). No es interesantepara su explotacin econmica.ACUIFUGO: Formacin geolgica que ni almacena ni transmite agua(granito no alterado).


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Almacenaagua

Transmiteagua

til comocaptacin

til comobaseimpermeable

ACUIFERO SI SI SI (ptimo) NO

ACUITARDO SI SI (lento) SI (bajaproduccin) NO

ACUICLUDO SI NO NO SI

ACUIFUGO NO NO NO SI


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La principal propiedad de una roca almacn tipo acufero es lapermeabilidad, que condiciona el desplazamiento del agua en laformacin, y que est influenciada por los aspectos geolgicos (litologa,estructura, etc.).

En funcin de estas caractersticas, los acuferos propiamente dichos sepueden localizar en:

FORMACIONES POROSAS.FORMACIONES FISURADAS.FORMACIONES CON DOBLE POROSIDAD.FORMACIONES CARSTIFICADAS.

POROSIDADPRIMARIA

POROSIDADSECUNDARIA


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FORMACIONES POROSAS: Son formaciones geolgicas consolidadaso no consolidadas, constituidas por partculas o granos, cuya litologa,morfologa, disposicin y dimensiones son muy diversas, dejando entre shuecos o poros (gravas, arenas, etc.) interconectados. Tambin puedenpresentarse oquedades primarias interconectadas (algunas tobas olavas, etc.). Estos poros suelen estar ocupados por gases o fluidos.FORMACIONES FISURADAS: Son formaciones geolgicas en rocasconsolidadas o compactas, en cuyo interior los huecos ms importantesestn constituidos por la presencia de fisuras abiertas y/o fracturas(granitos fisurados, basaltos fisurados, etc.).FORMACIONES CON DOBLE POROSIDAD: Formaciones geolgicascuya transmisin de agua se debe a la interconexin de la porosidadprimaria junto con la presencia de fisuras abiertas (y/o fracturas), queaumentan la capacidad de transmisin del agua.FORMACIONES CARSTIFICADAS: Formaciones geolgicas que porprocesos de disolucin aumentan el tamao de los huecos (poros y/ofisuras), tales como algunas rocas carbonatadas y evaporticas.


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2. EL AGUA EN EL MACIZO ROCOSO

La gnesis de las aguas subterrneas es, principalmente, el aguade lluvia que cae sobre el terreno. Durante este proceso deprecipitacin, las gotas de lluvia pueden sufrir diferentes procesosfsicos de manera que, no necesariamente, pasen a incorporarse alacufero:

Evaporacin directa durante la cada.

Interceptacin por la vegetacin.Humedecimiento del terreno y posterior evaporacin.Cada a zonas impermeables (salida a cauces superficiales y/orecogida por red de pluviales).Circulacin por pendientes y laderas hacia cauces superficiales.Otros.

2.1. EL AGUA EN EL SUELO Y SUBSUELO, PARAMETROSHIDRAULICOS Y TIPOS DE ACUIFEROS


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INT EV

E E

PP

III

ES3

ES2

ED

S

HS

EH

Ri

RiRi

ES1

Ri: Radiacin incidenteP: PrecipitacinI: InfiltracinS: agua sobre la superficie de transporte o circulacin del agua (lecho o cauce de los ros)ED: escorrenta superficial directa (agua superficial)EH: escorrenta hipodrmicaES: escorrenta subterrnea:ES : drena la cuenca vertienteES : drena hacia fuera de la cuenca vertienteES : aportaciones subterrneas de otras cuencas vecinas a la cuenca vertiente

P: precipitacin sobre el terreno o las masas de aguaE: evaporacinHS: retencinHS: retencin (humedad del suelo)INT: Intercepcin (vegetacin)EVP: evapotranspiracin (vegetacin y superficies libre de agua)

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Una vez que el agua de lluvia ha alcanzado el terreno y no ha sidoni escurrida ni evapotranspirada por la accin de las plantas, y/o deevaporacin directa a partir del encharcamiento, si las condicionesson las adecuadas, se produce el fenmeno de la INFILTRACION,consistente en el descenso vertical del agua por gravedad a travsde los intersticios del terreno (incluidos poros, macroporos yfisuras).

Si el nivel piezomtrico (o fretico si la lmina de agua se encuentraa presin atmosfrica) est a una cierta distancia de la superficiedel terreno, el agua que atraviesa el subsuelo sigue el siguientepatrn general:

Saturacin de la capa edfica, si es que existe.Percolacin a travs de la zona no saturada o vadosa ,sometida a fuerzas de succin.Llegada a la franja capilar.Incorporacin al acufero comorecarga .


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Precipitacin

Zona de suelo

Recarga deLa napa Napa

Z o n a n o -

s a

t u r a

d a

Zona borde de capilaridad

Zona de saturacin,Por debajo de la napa

(Agua subterrnea)


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Los principales parmetros hidrulicos de inters en hidrogeologa son:

Porosidad.Permeabilidad o conductividad hidrulica.Transmisividad.Coeficiente de almacenamiento.

2.1.1.- PARAMETROS HIDRAULICOS

POROSIDAD

La porosidad de un material se define como relacin existente entre elvolumen de la parte vaca o hueca (incluso ocupada por aire y/o agua) ysu volumen total. Sea VS: volumen de la parte slida, VV: volumen dehuecos, entonces el volumen total VT = VS + Vv. En ese caso, se definela porosidad m como:

m= V V

V

T


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La porosidad suele expresarse tambin en porcentaje de modo general,si bien, para la mayora de clculos, su valor va entanto por uno . Nodebe confundirse este concepto con el de ndice de huecos, usado enmecnica de suelos, y que se representa por e = Vv / VS.

Esta propiedad va ntimamente ligada a la granulometra de un medio odepsito, dependiente a su vez del tamao de grano, de susdimensiones y del tipo de empaquetamiento.

De las curvas granulomtricas obtenidas en ensayos de laboratoriopueden deducirse algunos otros parmetros de inters como eldimetro eficaz , denominado d10, que se define como el dimetro enmm para el cual un peso del 10% del sedimento, tiene tamao de granoinferior a l (es decir, pasarn por un tamiz de dicha apertura). Estedimetro, en la curva acumulada se corresponde con la ordenada del10%.

Este valor indica la influencia de los elementos finos en la reduccin dela permeabilidad de un material acufero por reduccin de los poros.


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Asimismo, de las curvas granulomtricas obtenidas en ensayos delaboratorio, tambin puede deducirse eldimetro denominado d60, quepermite calcular el denominado coeficiente de uniformidad (ocoeficiente de Hazen), expresado por el cociented60 / d10.

La granulometra se denomina:

Uniforme: Cuando el coeficiente de uniformidad es < 2.Variada o clasificada : Cuando el coeficiente de uniformidad es > 2.

Cuanto mayor es el coeficiente de uniformidad, mayor es la pendiente dela curva acumulada.

Cuanto ms se aproxima el coeficiente a la unidad, mayor es laporosidad.


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D

D

D

D

n

n

n

n

=0,58 mm

=0,5 mm

=0,008 mm

=0,18 mm

Curva Granulomtrica

Dimetros (mm)1010,10,010,001

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

100

% P a

s a


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Desde el punto de vista de las reservas de agua en el suelo solo esrecuperable mediante extraccin (captacin) la gravfica, que es unaparte de la porosidad total. Ello introduce el concepto deporosidadeficaz me que se define como la relacin existente entre el volumende agua drenable por gravedad (agua gravfica) o agua libre Ve, y elvolumen total de roca. En materiales con grandes intersticios, laporosidad eficaz se aproximar a la total. Su expresin es:

m e =V V

e

T

POROSIDADTOTAL

POROSIDADEFICAZ

0,0010

10

20

30

40

50

0,01 0,1 1 10 100

P O R O S I D A D ( % )

ARCILLA LIMO ARENATAMAO MEDIO DE LAS PARTICULAS (mm)

GRAVA BOLOS


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El agua de retencin viene expresada por la capacidad de retencinespecfica del terreno m r definida por la relacin existente entre elvolumen de agua retenida por la roca inicialmente saturada una vezevacuada el agua gravfica. Se puede expresar mediante:

La porosidad eficaz no representa ms que una porcin (frecuentementepequea) de la porosidad total, lo que permite incidir en el hecho de quelas reservas tiles de un material acufero estn condicionadas por laporosidad eficaz. Ambos valores pueden expresarse en porcentaje. Deacuerdo con lo anterior, la porosidad total de un material o depsito serla suma de la porosidad eficaz ms la porosidad de retencin:

m r =V V

r

T

m T e = m + m


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TABLA DE POROSIDADES TOTALESY EFICACES DE DIVERSOS MATERIALES

Fuente: Custodio y Llamas (1983).

MATERIALTipo

Rocas masivasGranito 0, 3 4 0, 2 9 0, 05 < 0,2 0,5 0,0 A

< 0,5 1 0,0 B< 0,5 1 0,0 B< 0,5 2 0,0 A< 5 20 0,0 C, E

< 5 20 0,0 D< 5 2 0,1 A5 10 1 C

10 20 0,0 F1 5 0,2 B3 20 0,5

15 35 5 E20 30 1025 35 15

25 35 1015 30 510 20 2 E2 10 0,0 E10 20 1 E

< 5 10 0,1 E

< 2 5 0,0 E

20 50 1 C,E

8 15 0, 5 20

60 5

30 0, 530 0, 5

5 10 20,5 5 0, 230 50 1025 80 1085 90 502 5 0, 1

12 30 55 15 2

15 25 320 50 1010 30 1,5

25 40 20 45 1535 40 3030 40 25 40 20

85 30

45 55 4035 45 2025 35 1540 50 3545 60 4050 60 30

Caliza masivaDoloma

Piroclastos y tobasEscoriasPumitasBasaltos densos, fonolitasBasaltos vacuolaresPizarras sedimentariasAreniscasCreta blandaCaliza detrtica

AluvionesDunasGravasLoessArenasDepsitos glaciaresLimosArcillas sin compactarSuelos superiores

Rocas metamrficas

Rocas volcnicas

Rocas sedimentarias

Rocas sedimentariassueltas

consolidadas (verrocas masivas)

Descripcin Media Mxima Mxima Media

POROSIDAD TOTAL m (%)Normal Extraordinaria POROSIDAD EFICAZ m (%) OBSERV.

Mnima Mnima Mxima Mnimae


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Fuente: Tabla adaptada deCustodio y Llamas (1983).

Fuente: Tabla adaptada de Davisy de Wiest (1971).

MATERIALPOROSIDAD EFICAZ (%)Mxima

Arcilla arenosa 12 3 728 10 21

35 20 2732 15 26

35 20 2531 21 2526 13 2326 12 22

Arcilla finaArena mediaArena gruesa

Arena con gravaGravas finasGravas mediasGravas gruesas

Mxima Media


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PERMEABILIDAD O CONDUCTIVIDADHIDRAULICA

La permeabilidad se define como el caudal circulante a travs de unaseccin unitaria de acufero, bajo un gradiente tambin unitario a unatemperatura fija o determinada. Se representa por la letra k minsculay tiene dimensiones de velocidad (L/T). Surge como factor deproporcionalidad de la Ley de Darcy. En general suele expresarse encm/s o m/da.

q = k i .QAh

I

ik

Caudal circulante en unidades homogneas.Area de la seccin en unidades homogneas.Diferencia de carga hidrulica en unidadeshomogneas.Recorrido que debe realizar el agua en unidadeshomogneas.Gradiente hidrulico.Permeabilidad o conductividad hidrulica en unidadeshomogneas.

Lh

K i K qQ

===


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Los factores que condicionan la permeabilidad pueden ser:

Intrnsecos : son caractersticos del acufero y dependen del tamaode los poros. A igualdad de condiciones, el medio que tenga mayordimetros de partculas tendr mayor permeabilidad.Extrnsecos : dependen del fluido y son principalmente su viscosidady su peso especfico, que a su vez, dependen de la temperatura.

Fuente: Bentez (1963), en Custodio y Llamas (1983).

Permeabilidad(m/da)

10 10 10 10 10 10 10 10 10 1014 3 2 1 -1 -2 -3

Tipo de terreno Grava limpia Arena limpia, mezclade grava y arena

Arena fina, arena arcillosa,mezcla de arena, limo y arcilla,

arcillas estratificadas

Arcillas no meteorizadas

Impermeables

No drenanDrenan mal

Acuferos pobresBuenos acuferos

Drenan bienCapacidad de

drenaje

Calificacin


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Fuente: Tabla adaptada de Custodioy Llamas (1983).

Fuente: Tabla adaptada de Davisy de Wiest (1971).

El factor de conversin es 864 pero se ha redondeado a 1.000

VALORES DE PERMEABILIDAD EN TERRENOS NATURALES


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TRANSMISIVIDADLa transmisividad (Theis, 1935) se define como el caudal que se filtra atravs de una franja vertical de terreno, de ancho unidad y de alturaigual a la del manto permeable saturado bajo un gradiente unidad a unatemperatura fija determinada. Sus dimensiones son las de una velocidadpor unidad de longitud. Generalmente se expresa enm2/da.

El producto de la permeabilidad por el espesor saturado es pues, latransmisividad, designada por la letra T. As pues, a partir de la Ley deDarcy, se tiene que:

QAL

T

b

ik

Caudal circulante en unidades homogneas.Area de la seccin en unidades homogneas.Longitud de acufero en unidades homogneas.

Transmisividad en unidades homogneas.

Espesor saturado (altura) en unidades homogneas.

Gradiente hidrulico.Permeabilidad o conductividad hidrulica en unidadeshomogneas.

A = b . L

Q = K . b . L . i

Q = T . L . i

T = k . b


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El coeficiente de almacenamiento , designado por la letra S esadimensional , y se define como el volumen de agua que puede serliberado por una seccin unitaria vertical del acufero y altura igual a ladel acufero saturado, si se produce un descenso unidad del nivelpiezomtrico o de carga hidrulica.

El agua que se puede extraer de un acufero proviene de un mecanismode drenaje o vaciado de los poros del mismo (agua gravfica enacuferos libres que coincidir con la porosidad eficaz) o de lospequeos efectos elsticos del propio armazn fsico del acufero y de la

propia elasticidad del agua (siendo sta la nica forma de captacin deagua en un acufero cautivo).

Si se supone una columna de acufero de seccin unitaria y altura totalsaturada b, al disminuir una unidad el nivel piezomtrico se obtiene unvolumen de agua:

COEFICIENTE DE ALMACENAMIENTO


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Si se supone que el armazn de los granos de la arena (para unacufero detrtico clsico) es tambin compresible y alfa es su coeficientede compresibilidad dinmica vertical, al disminuir la presin del agua, elarmazn deber soportar el peso litosttico, con lo que disminuir suporosidad por compresin. En ese caso ese coeficiente dealmacenamiento S2 ser:

De ello se deduce que la cantidad total de agua extrada de un acuferoser:

myb

Porosidad total del acufero.Peso especfico del agua en unidades homogneas.Espesor saturado (altura) en unidades homogneas.Coeficiente de compresibilidad dinmica del agua enunidades homogneas.

Coeficiente de compresibilidad dinmica vertical enunidades homogneas.

S = m . y . b . 1

S = y . b . 2

S = S + S = y . b . (m. + )21


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En acuferos libres, el coeficiente de almacenamiento puede variar entre0,05 y 0,3 (equivaldra a la porosidad eficaz), mientras que en acuferosconfinados, el valor de dicho coeficiente vara generalmente entre 10-3 a10-5.


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Los acuferos se pueden clasificar en funcin de:

La presin hidrosttica del agua contenido en ellos:

Acuferos libres, no confinados o freticos. Acuferos confinados, cautivos o a presin. Acuferos semiconfinados o semicautivos.

El tipo de materiales que constituyen el acufero:

Depsitos no consolidados de materiales sueltos. Rocas sedimentarias consolidadas. Rocas gneas y metamrficas.

2.1.2. TIPOS DE ACUIFEROS


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ACUIFERO LIBRE IGME (2001)MANANTIAL

ACUIFERO LIBRE

ACUITARDO

ACUITARDO

ACUIFERO CONFINADO

ACUIFERO CONFINADOIMPERMEABLE


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AREA DERECARGA

LIBRE CONFINADOSEMICON-FINADO

(ARTESIANO SURGENTE)

Pozo surgente

CONFINADO SEMICONFINADO

Acufero colgado

MAR

SuperficiePiezomtrica (B)

SuperficiePiezomtrica (c)

Nivel fretico

Interfase

AGUA MARINA

ACUIFERO A

ACUIFERO B

PercolacinPercolacin

PercolacinACUIFERO C

IGME (1989)

Capa impermeable

Capa semipermeable


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Son aquellos acuferos en los que el lmitesuperior de la masa de agua forma unasuperficie real que est en contacto con elaire de la zona no saturada y, por tanto, apresin atmosfrica.

Cuando se alcanza el nivel fretico semantiene a la profundidad de interseccin.

La recarga se produce principalmente porinfiltracin de la precipitacin a travs delsuelo y/o zona no saturada, o por infiltracinde agua de ros o lagos.

ACUIFEROS LIBRES


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Son aquellos acuferos que en su lmite superior, el agua est a unapresin superior a la atmosfrica.

Se comportan as materiales permeables que estn cubiertos por unacapa mucho menos permeable.

Cuando se atraviesa el techo de los mismos se observa un rpidoascenso del nivel de agua hasta estabilizarse en una determinadaposicin.

A este fenmeno se le conoce como artesianismo . La captacin sersurgente cuando el nivel piezomtrico est situado a cota superior quela de la boca del pozo o sondeo.

La recarga se produce principalmente por infiltracin de la precipitacina travs de la zona en la que aflora la formacin acufera.

ACUIFEROS CONFINADOS O CAUTIVOS


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Son un caso particular de losacuferos cautivos en los que el muro,el techo, o ambos, no son totalmenteimpermeables, sino que permiten lacirculacin vertical de agua.

Esta transferencia vertical puedehacerse desde o hacia el acuitardo, eincluso variar con el tiempodependiendo de los valores relativos

de los niveles piezomtricos.

SEMICONFINADO

Acufero colgado

SuperficiePiezomtrica (B)SuperficiePiezomtrica (c)

Nivel fretico

ACUIFERO A

ACUIFERO BPercolacin

ACUIFERO C

ACUIFEROS SEMICONFINADOS


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Son formaciones geolgicas constituidas por la acumulacin departculas transportadas por gravedad, viento o hielo, tanto en elambiente lacustre como en el marino.

Suelen ser arenas y gravas de distinta gnesis geolgica:

Fluvial: Aluviales de ros o terrazas fluviales.Deltaico: Acumulaciones en la desembocadura de los ros.Fluvio-deltaico: Zonas de transicin de los ambientes anteriores.Relleno: De fosas tectnicas y cuencas sedimentarias en general.Elica: Tipo dunas o loess.Morrenas: Acumulaciones detrticas de la ablacin de los glaciares.

Por lo general suelen ser de edades geolgicas recientes, por lo quepresentan poca alteracin y consolidacin.

Suelen proporcionar elevados caudales si se explotan racionalmente.

ACUIFEROS EN DEPOSITOS NOCONSOLIDADOS DE MATERIALES SUELTOS


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Son formaciones geolgicas que se han consolidado debido aprocesos de compactacin o diagnesis.

Segn su gnesis se clasifican en:

Detrtico: conglomerados, areniscas, arcillas.Qumico: calizas, dolomas, margas.Orgnico : carbones e hidrocarburos naturales.

Varan mucho en densidad, porosidad y permeabilidad,dependiendo del ambiente sedimentario de formacin.

Si no existen fenmenos de carstificacin y/o fisuracin-fracturacin, suelen constituirse formaciones acuferas pocopermeables en general.

ACUIFEROS EN ROCAS SEDIMENTARIASCONSOLIDADAS


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Las rocas gneas son formaciones geolgicas originadas por elenfriamiento y consolidacin de un magma.

Segn se produzca la consolidacin de dicho magma se tienen lossiguientes tipos:

Intrusivas o plutnicas : en el interior de la corteza terrestre(granitos, gabros, etc).Extrusivas o volcnicas : en superficie (basaltos, fonolitas,piroclastos, etc.).

Las rocas metamrficas se han originado por profundastransformaciones fsico-qumicas que dan lugar a cambiosimportantes en la estructura como consecuencia de las variacionesde presin, temperatura y presencia de fluidos (pizarras, esquistos,etc.).

ACUIFEROS EN ROCAS IGNEASY METAMORFICAS


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Las posibilidades de formar acuferosen estas rocas quedan reducidas a laszonas de alteracin superficial, o a laszonas fracturadas por diaclasas yfallas, que pueden dar lugar, llegado elcaso, a acuferos importantes.

En el caso de las rocas volcnicas,debido a la heterogeneidad de los

materiales presentes, elcomportamiento est entre las rocasconsolidadas porosas y las fisuradas.


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El conocimiento de las caractersticas fsico-qumicas de las aguassubterrneas tiene como finalidad fundamental establecer relacionesentre la composicin, distribucin y circulacin del agua en losacuferos y la geologa, mineraloga y sistemas de flujo de stos.

El agua debe entenderse no solo como molcula qumica sino comosolucin/suspensin acuosa diluida que contiene compuestosorgnicos e inorgnicos que constituyen los diversos tipos deecosistemas acuticos.

El tipo de agua subterrnea depende de su composicin qumica y, asu vez, la composicin qumica es funcin de cmo sta incorpora lossolutos a medida que interacciona con el medio. As pues, lacomposicin qumica del agua en las diferentes partes del ciclohidrolgico es la resultante de los diferentes procesos modificadores(fsicos, qumicos, biolgicos y antrpicos).

2.2. CALIDAD DEL AGUA SUBTERRANEA


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Fuente: FCIHS (2009)

ContaminacinPolvo

Aerosol

ATMOSFERA

Lluvia

Infiltracin

Evaporacin

MARAGUAS SUPERFICIALES

Flujo subterrneo

ACUIFEROS

ZONA NO SATURADA

SUELO

Recarga

Aumento de MO, CO , microorganismosOxidacin de la MO, metabolitosDisolucin de sales y fertilizantesEvaporacin, precipitacin de mineralesEvapotranspiracin y absorcin por plantas

Evaporacin. MezclaDisolucin precipitacin

EvaporacinDisolucin de gases

Cambio inicoSorcin

Disolucin de evaporitas, carbonatos, silicatos, sulfuros,...Evaporacin, mezcla

Flujos profundos: ms T, Presin y mayor cintica.Aguas termales.


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Las caractersticas fsico-qumicas del agua subterrnea varan a lolargo de su trnsito por el ciclo hidrolgico, por ello, para valorar estaincidencia, es necesario cuantificar una serie de parmetros fsico-qumicos y microbiolgicos presentes en las aguas.

Los principales parmetros que se suelen analizar con mayorfrecuencia son:

Sustancias disueltas: aniones y cationes.Alcalinidad.Dureza.Conductividad elctrica (CE).

Residuo seco (RS)y residuo total de sales disueltas (TDS).Demanda qumica de oxgeno (DQO), demanda bioqumica deoxgeno (DBO) y materia orgnica (COT y COD).pH y potencial REDOX (Eh).Temperatura.Microbiologa.


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Los componentes mayoritarios o fundamentales que se encuentranen las aguas subterrneas son:Aniones: Cl-, HCO3-, CO3=, SO4=, NO3-.Cationes: Na+, K+, Ca2+, Mg2+.Coloides: SiO2, H2SiO4.Elementos minoritarios: suelen representar menor del 1 % del TDS(normalmente en concentraciones entre 0,01 y 10 mg/l), destacando Fe2+,NO2-, F-, NH4+, Sr2+.Elementos muy minoritarios: suelen encontrarse en concentraciones entre0,0001 y 0,1 mg/l, destacando Br-, HS-, H2PO3-, I-, Fe3+, Mn2+, H+, Al3+.Componentes traza: generalmente se encuentran en concentracionesinferiores a 0,0001 mg/l, pero pueden aparecer en concentraciones

superiores, pudiendo generar problemas de potabilidad (ello esespecialmente preocupante en la actividad minera). Destacan As, Sb, Pb,Cu, Zn, Ba, V, Hg, U.Se encuentran como gases disueltos: CO 2, O2, N2, CH4 y los gases nobles.

PRINCIPALES SUSTANCIASQUE SE ENCUENTRAN DISUELTAS


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En general, ni los cientficos ni los ingenieros (salvo honrosas excepciones)tienen el don comunicador por escrito y/o no dedican suficiente tiempo a estemenester, con lo que puede perderse informacin relevante.

La mayor parte de los estudios de importancia se realizan con ayuda decapital, tanto pblico como privado (accionistas de empresas mineras) o mixto,y estn orientados hacia un fin claramente socioeconmico con una marcadacomponente ambiental. Por ello, la sociedad en sentido amplio, ser labeneficiada de estas actuaciones que, a la postre, se traducirn en laobtencin de materias primas imprescindibles para el desarrollo y evolucin dela sociedad actual.

En este sentido, pueden establecerse una serie de criterios generales (oNormas) para la consecucin satisfactoria de los objetivos propuestos. DichasNormas se pueden englobar en dos aspectos: de carcter tico y de carctertcnico-profesional.

2.3.-NORMAS PARA LA REALIZACION DE UN ESTUDIOHIDROGEOLGICO EN MINERIA

NORMAS DE CARACTER ETICO


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El hidrogelogo deber transmitir los conocimientos adquiridos al mayornmero de personas y de la manera ms eficaz (estilo literarioespecfico): rigor, precisin y capacidad de sntesis, dado que losresultados obtenidos no son para el autor, sino que responden a un finsocioeconmico y, por tanto, el estudio o informe ser ledo por mspersonas, algunos no especialistas en la materia.La redaccin de un informe o estudio garantiza una buenainterpretacin de los datos o una conclusin ptima, y ello sueleproducirse cuando el profesional est trabajando en gabinete de lamanera ms concentrada posible (siempre existir estrs). En general,en el campo es difcil obtener grandes conclusiones al no disponerordenadamente toda la informacin adquirida y estar sometido a otrotipo de presin.Aplicacin de un Cdigo Deontolgico o de Buenas Prcticas.Un estudio o informe de calidad es, posiblemente, la principal fuente deprestigio para el autor y/o para la Institucin, Empresa u Organismopara el que trabaja.

NORMAS DE CARACTER ETICO


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Las principales Normas de carcter tcnico profesional hacenreferencia a las ETAPAS de planificacin del estudio hidrogeolgicoque, desafortunadamente, muchas veces se dan por obvias y no sepresta la atencin requerida a las mismas.

Definicin de objetivos y de medios necesarios o disponibles:econmicos, materiales y humanos.Primer esquema o ndice provisional del estudio o informe:portada o cubierta, prlogo o prefacio, resumen, glosario determinologa, definiciones, conceptos y/o unidades, referencias aotros trabajos, ndice o sumario, memoria, anejos, apndices yplanos.Finalizacin del Primer borrador o Documento de Avance .Supervisin del Primer borrador o Documento de Avance .Finalizacin del texto y tablas y figuras definitivas. Planos.Documento Final. Edicin y divulgacin.

NORMAS DE CARACTERTECNICO - PROFESIONAL


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1. Presentacin : introduccin, objetivos, descripcin general de la zonaestudiada.

2. Margo geogrfico y econmico.3. Climatologa e Hidrologa: generalidades, pluviometra, termometra,

evapotranspiracin, otros elementos, estudio de cauces y cuencas,estimacin de aportaciones superficiales y subterrneas, regulacin.

4. Geologa: marco geolgico, descripcin de formaciones.5. Hidrogeologa: caractersticas hidrogeolgicas de los materiales,

acuferos, inventario de puntos de agua, piezometra, parmetroshidrogeolgicos, hidrogeoqumica.

6. Monitorizacindel acufero o acuferos.7. Balance hdrico.8. Consumos y demandas : caudales ecolgicos.9. Programa de medidas : previsiones y protocolos de actuacin.10. Resumen y conclusiones . Recomendaciones .11. Bibliografa.

ANEXOS

EJEMPLO DE INDICE PARA ESTUDIOHIROGEOLOGICO


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La energa mecnica de un fluido viene definida por el trinomio deBernouilli. En el caso de las aguas subterrneas se tiene que lavelocidad en el movimiento de las mismas es muy lento y, porconsiguiente, despreciable, con lo que tambin lo ser su trmino deenerga cintica; en ese caso se pueden considerar nicamente lostrminos de presin y posicin :

2.4.- ECUACIONES Y PROCESOS FISICOS QUE GOBIERNANEL MOVIMIENTO DEL AGUA SUBTERRANEA

NIVEL PIEZOMETRICO

PY

ZY

g

Presin en unidades homogneas.Peso especfico del fluido en unidades homogneas.

Altura del punto en unidades homogneas.

Aceleracin de la gravedad en unidades homogneas.

Velocidad del fluido en ese punto en unidadeshomogneas.

E= + z +p vy 2 . g

2 pyE=


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Darcy experiment el flujo de agua a travs de un cilindro relleno dematerial poroso conectado a dos depsitos, uno a la entrada y otro a lasalida, ambos con diferente nivel (el de la entrada ms alto que el de lasalida). Midi el caudal circulante en funcin de esa diferencia de alturasy comprob que ese caudal Q era directamente proporcional a:

La seccin de paso S (a doble seccin, doble caudal).La diferencia de alturas de agua entre los dos depsitos h.El inverso de la longitud del medio poroso (a doble longitud, mitad decaudal).

q = k . i = k .

q = - k . iq = k . i = k .

hL

h = k. i

LEY DE DARCY

Q

L

Q A

B

B


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Para velocidades elevadas, el gradiente crece ms rpidamente que lavelocidad, llegando a ser cuadrtico para velocidades extremadamentealtas. Como el rgimen de flujo viene definido por el nmero deReynolds (relacin entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas), laLey de Darcy es vlida si Re < 1 a 10 y, en general Re < 4,garantizndose un flujo ms o menos laminar. El flujo es completamenteturbulento para Re > 60 a 180.

En casos singulares la Ley de Darcy podra no ser vlida:

En las proximidades de la rejilla de un pozo.En medios fracturados si las fisuras tienen una abertura e > 1mmstas actan como conductos de circulacin preferente, pudiendoocasionar flujos turbulentos.

v

d

p

Presin en unidades homogneas.

Densidad del fluido en unidades homogneas.

Tamao medio de las partculas (d )o, en el caso de terrenos fisurados,d = 2.e, siendo e el ancho de la fisura ( en unidades homogneas).

Viscosidad dinmica en unidades homogneas.

Re =v . d .


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En un medio heterogneo el comportamiento del flujo depende dela direccin del mismo. En el caso del flujo en paralelo el flujo pasapor varias capas paralelas o estratificadas formadas por materialesde diferente conductividad hidrulica en la misma direccin de laestratificacin. Cada estrato o capa i tiene un determinadoespesor bi y una determinada permeabilidad Ki, aunque todosestn sujetos a la misma prdida de carga h.La cantidad total de agua que circula por toda la seccin es la sumade las contribuciones de cada uno de los estratos.En ese caso, la conductividad hidrulica equivalente se calculacomo la media aritmtica de la permeabilidad de cada estratoponderada con los espesores , es decir, que los medios mspermeables condicionan el flujo de agua en paralelo.

FLUJOS EN PARALELOA LA ESTRATIFICACION


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kk

i

eq

hLi

b

Conductividad hidrulica o permeabilidad de cada estrato o capa enunidades homogneas.Conductividad hidrulica equivalente o permeabilidad equivalente decada estrato o capa en unidades homogneas.

Diferencia de alturas en unidades homogneas.Longitud del medio poroso atravesado en unidades homogneas.Gradiente hidrulico (L/L).Espesor de cada estrato o capa en unidades homogneas.

?h

MEDIO HETEROGENEO CON FLUJO PARALELO A LA ESTRATIFICCIONFuente: Adaptado de FCIHS (2009)

K1 b1

Ki bj

Kn bn

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En el caso del flujo en serie en medio heterogneo, el flujo pasaperpendicular a los estratos o capas de diferentes conductividadeshidrulicas Ki y longitudes Li, en una nica seccin de paso S.En este caso, el caudal que cruza todas las capas es nico y para cadatramo de seccin habr una prdida de carga distinta hi. La prdida decarga total ser la suma de cada una de las prdidas parciales.As pues, la conductividad hidrulica equivalente se calcula como lamedia armnica de las permeabilidades de cada estrato ponderada

con los espesores . En estas circunstancias, la capa o estrato conmenor permeabilidad condiciona la permeabilidad equivalente delconjunto.La conductividad hidrulica equivalente de un terreno heterogneo esmayor en el caso de flujo paralelo a la heterogeneidad que en el caso deflujo perpendicular.

FLUJOS EN SERIE O PERPENDICULARES ALA ESTRATIFICACION

estudio de la geomecanica

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