AGUAS SUBTERRNEAS

La presencia de agua subterrnea en una pendiente de roca puede tener un efecto perjudicial sobre la estabilidad por las siguientes razones:

La presin del agua reduce la estabilidad de las laderas por la disminucin de la resistencia al corte de las superficies potenciales de falla, como se describe en el captulo 1. La presin del agua en las grietas de tensin o fisuras verticales cercanas similares reduce la estabilidad mediante el aumento de las fuerzas que inducen deslizante.

cambios en el contenido de humedad de alguna roca, en particular de pizarras, puede causar acelerado y una disminucin en la resistencia a la cizalladura.

La congelacin de las aguas subterrneas puede causar acuamiento en fisuras llenas de agua debido a los cambios de volumen temperaturedependent en el hielo. Adems, la congelacin de las aguas superficiales en pendientes puede bloquear vas de drenaje que resulta en una acumulacin de presin del agua en la pendiente con la consiguiente disminucin en la estabilidad.

La erosin de roca erosionada por el agua de la superficie, y de bajos llenuras fuerza por las aguas subterrneas pueden dar lugar a la inestabilidad local donde se socav el dedo del pie de una pendiente, o un bloque de roca se afloja.

Los costos de excavacin se pueden aumentar cuando se trabaja por debajo del nivel fretico. Por ejemplo, agujeros de explosin hmedas requieren el uso de explosivos resistentes al agua que son ms caros que ANFO no resistente al agua. Adems, el flujo de agua subterrnea en la excavacin o pozo de bombeo se requiere y, posiblemente, el tratamiento del agua de descarga, y el equipo transitabilidad puede ser deficiente en caminos de acarreo mojadas.

Con mucho, el efecto ms importante de agua subterrnea en un macizo rocoso es la reduccin en la estabilidad como resultado de presiones de agua dentro de las discontinuidades. Mtodos para la inclusin de estas presiones de agua en los clculos de estabilidad y diseo de drenaje sistemas son tratados en captulos posteriores de este libro. En este captulo se describe el ciclo hidrolgico (seccin 5.2), los mtodos que se utilizan para analizar el flujo de agua a travs de roca fracturada, y las presiones desarrolladas por este flujo (secciones 5.3 y 5.4). Secciones 5.5 y 5.6 discuten, respectivamente mtodos de hacer mediciones de conductividad y de presin hidrulica en el campo.Al examinar las laderas de roca o suelo, puede ser un error suponer que el agua subterrnea no est presente si hay filtraciones aparece en la cara pendiente. La tasa de infiltracin puede ser inferior a la tasa de evaporacin, y por lo tanto la superficie de la pendiente puede aparecer seca y sin embargo no puede ser agua a presin significativa dentro de la masa de roca. Es la presin del agua, y no la tasa de flujo, que es responsable de la inestabilidad en laderas y es esencial que la medicin o clculo de este formas de presin de agua parte de las investigaciones de sitio para estudios de estabilidad. Drenaje, que se discute en el captulo 12, es uno de los medios ms eficaces y econmicos disponibles para mejorar la estabilidad de las laderas rocosas. Diseo racional de sistemas de drenaje slo es posible si se entiende el patrn de flujo de agua dentro de la masa de roca, y la medicin de la conductividad hidrulica y la presin del agua proporciona la clave de este entendimiento.

Un medio til para evaluar las condiciones de agua subterrnea en una pendiente es hacer observaciones durante los perodos de temperaturas bajo cero. En estos momentos incluso filtraciones menores en la cara pueden formar carmbanos que pueden mostrar tanto la ubicacin de las mesas de agua, y el conjunto (s) de discontinuidades en el que se est produciendo flujo.

5.2 El ciclo hidrolgicoUn ciclo hidrolgico simplificado ilustra en la Figura 5.1 muestra algunas fuentes tpicas de aguas subterrneas, y hace hincapi en que el agua subterrnea puede viajar distancias considerables a travs de una masa de roca. Es importante, por lo tanto, considerar la geologa regional de una zona al iniciar un programa de diseo de pendiente rocosa. En general, el agua subterrnea fluye de las reas de recarga para descargar reas. Un rea de recarga es uno en el que el flujo neto saturada de agua subterrnea se dirige fuera de la mesa de agua, mientras que en una zona de descarga del flujo saturado neta se dirige hacia la capa fretica. En la Figura 5.1, reas de descarga se producen en el corte de la roca, presa de relaves y de cielo abierto, y hay un rea de recarga del ocano a la fosa.

Claramente, la precipitacin en la cuenca hidrogrfica es la fuente ms importante de agua subterrnea, y la Figura 5.2 ilustra la relacin tpica entre los niveles de precipitacin y de agua subterrnea en tres regiones climticas. En los climas tropicales y desrticas del nivel fretico del suelo suele ser ms predecible y consistente que los climas templados, donde los niveles de precipitacin son ms variables. En la evaluacin de la relacin entre el clima y los niveles de agua subterrnea en la pendiente, tanto la precipitacin media y los eventos mximos deben considerarse debido a que los eventos mximos son los que suele causar inestabilidad. Ejemplos de precipitaciones mximas que pueden conducir a altas tasas de infiltracin incluyen tifones, tormentas intensas y deshielo rpido. Si se dan estas condiciones climticas en el sitio, entonces es recomendable utilizar presiones correspondientemente altos de agua en el diseo, o para disear sistemas de drenaje de gran capacidad.

Las fuentes de agua subterrnea, adems de la precipitacin pueden incluir la recarga de los ros adyacentes, presas de relaves, depsitos o el ocano, como se muestra en la Figura 5.1. Hay varios casos de canteras y minas sustanciales a cielo abierto (por ejemplo Dutra Minerales en California, y Granisle Cobre y la Isla de cobre en Canad) que operaron con xito a continuacin, y cerca de, cuerpos sustanciales de agua. Sin embargo, en este tipo de operaciones de infiltracin significativa puede desarrollar en el pozo, as como la inestabilidad resultante de las altas presiones de agua.

Otro factor importante que influye en el agua subterrnea dentro de un pendiente es la distribucin de los tipos de roca, y los detalles de la geologa estructural como llenuras fallo, la persistencia de los conjuntos de conjuntos y la presencia de cavidades de solucin. Estas caractersticas pueden resultar en regiones de baja y alta conductividad hidrulica dentro de la pendiente que se denomina acuitardos y acuferos, respectivamente. Estas cuestiones se analizan con ms detalle en la seccin 5.4 ms adelante en este captulo.

5.3 Redes De Conductividad Y Flujo Hidrulicos

Cuando los efectos de agua subterrnea se deben incluir en el diseo de la pendiente, hay dos enfoques posibles para la obtencin de datos sobre la distribucin de las presiones de agua dentro de una masa de roca:a) Deduccin del modelo de flujo de agua subterrnea de la consideracin de la conductividad hidrulica de la masa rocosa y las fuentes de agua subterrnea.

b) La medicin directa de los niveles de agua en pozos o pozos, o de la presin del agua por medio de piezmetros instalados en pozos.

Debido a la importante influencia de la presin del agua en la estabilidad de las laderas, es esencial que las mejores estimaciones posibles del rango probable de las presionesdebera estar disponible antes de intentar un anlisis detallado estabilidad. Hay un gran nmero de factores que controlan el flujo de agua subterrnea en macizos rocosos fracturados, y slo es posible en este libro para destacar los principios generales que pueden aplicarse. Si se requieren estudios detallados de las condiciones del agua del suelo, es recomendable obtener datos adicionales de fuentes tales como Freeze y Cherry (1979) y Cedergren (1989) sobre el anlisis de flujo de agua subterrnea, y Dunnicliff (1993) en la instrumentacin.

5.3.1 La conductividad hidrulica

El parmetro bsico que define el flujo de agua subterrnea, y la distribucin de presin de agua, en medios geolgica es la conductividad hidrulica. Este parmetro se refiere la tasa de flujo de agua a travs del material al gradiente de presin aplicada a travs de ella (Scheidegger, 1960; Morgenstern, 1971).

Considere una muestra cilndrica de suelo o roca debajo de la mesa de agua en una pendiente como se ilustra en la Figura 5.3. La muestra tiene un rea de seccin transversal de A y la longitud l. Los niveles de agua en pozos de sondeo en cada extremo de esta muestra se encuentran en las alturas h1 y h2 por encima de un punto de referencia y la cantidad de agua que fluye a travs de la muestra en una unidad de tiempo es Q. Segn la ley de Darcy, el coeficiente K de conductividad hidrulica de esta muestra se define como

donde V es la velocidad de descarga. Cambio de las dimensiones de los trminos en la ecuacin (5.1) muestra que la conductividad hidrulica K tiene las mismas dimensiones que la velocidad de descarga V, que es la longitud por unidad de tiempo. Las unidades ms utilizadas en los estudios de agua subterrnea es centmetros por segundo, y una serie de factores de conversin de conductividad hidrulica se dan en la Tabla 5.1. La ecuacin (5.1) se puede reorganizar para mostrar el volumen de agua, Q fluye a travs de la muestra se muestra en la Figura 5.3 bajo una cabeza especificado, como sigue:

En la mayora de los tipos de rocas fluyen a travs de la roca intacta es insignificante (definido por Kprimary), y esencialmente todo el flujo se produce a lo largo de las discontinuidades (definidos por Ksecondary). Por ejemplo, la conductividad hidrulica primaria para el granito y basalto intacta es de aproximadamente 10-10 cm / seg, mientras que para algunos de grano grueso, mal areniscas induradas la conductividad hidrulica primaria pueden ser tan alta como 10-4 cm / seg. El trmino conductividad hidrulica secundaria se refiere a fluir en la masa de roca y abarca flujo tanto en la roca intacta y cualquier discontinuidades que estn presentes. Estas condiciones resultan en conductividades hidrulicas secundario que tiene una amplia gama de valores dependiendo de la persistencia, la anchura y la llenura caractersticas de las discontinuidades. Por ejemplo, el granito que tiene una conductividad hidrulica primaria muy bajo por lo general contiene articulaciones apretadas, limpias y bajas de persistencia, por lo que la conductividad hidrulica secundaria tambin es baja. En contraste, piedra arenisca puede tener cierta conductividad primaria, y la presencia de planos de estratificacin persistentes puede resultar en una alta conductividad secundaria en la direccin paralela a la ropa de cama. Para una mayor discusin sobre el flujo de roca fracturada ver seccin 5.4.

Los rangos tpicos de conductividad hidrulica secundaria para una variedad tipos de roca, as como depsitos no consolidados, se muestran en la Figura 5.4. La gama de conductividades hidrulicas para los materiales geolgicos cubre 13 rdenes de magnitud, y para cualquier tipo de roca solo el rango puede ser de cuatro rdenes de magnitud. Esto demuestra la dificultad de predecir las cantidades y presiones de flujo de entrada de agua dentro de las pendientes.La Figura 5.3 muestra tambin que la cabeza hora total en cualquier punto se puede expresar en trminos de la presin P y la altura z por encima de un punto de referencia. La relacin entre estos parmetros es

donde w es la densidad del agua. La altura total h representa el nivel al cual el agua se elevar en un tubo vertical pozo. La ley de Darcy es aplicable a medios porosos y por lo tanto se puede utilizar para estudiar el flujo de tierra del agua, tanto en roca intacta, y las masas de roca en una escala macroscpica. Sin embargo, se requiere que el flujo sea laminar, por lo que la ley de Darcy no es aplicable en el caso de flujo turbulento no lineal o en una fractura individual.

porosidad

redes de flujo

La representacin grfica de flujo de aguas subterrneas en una masa de roca o el suelo se conoce como una red de flujo, y un ejemplo tpico se ilustra en la Figura 5.5.Una red de flujo comprende dos conjuntos de lneas que se cruzancomo sigue:

(i) las redes de flujo son trayectorias seguidas por el agua que fluye a travs de la roca o el suelo saturado.

(Ii) lneas equipotenciales son lneas que unen puntos en los que la altura total h es el mismo. Como se muestra en la Figura 5.5, el nivel del agua es la misma en tomas de agua que terminan en los puntos A y B en la misma lnea equipotencial. Presiones de agua en los puntos A y B no son los mismos, ya que, segn la ecuacin (5.3), la altura total h est dada por la suma de la carga de presin P / w, y la z elevacin del punto de medicin por encima del punto de referencia. La presin del agua aumenta con la profundidad a lo largo de una lnea equipotencial.

Hay caractersticas de las redes de flujo que son aplicables en todas las condiciones y deben ser utilizados en la elaboracin de redes de flujo. En primer lugar, las lneas equipotenciales deben cumplir con los lmites impermeables en ngulo recto y ser paralela a los lmites de carga constante. En segundo lugar, hay una prdida de carga uniforme entre lneas equipotenciales adyacentes. , Lneas equipotenciales y flujo Tercero se cruzan en ngulo recto para formar cuadrados curva lineal en el rock con la conductividad hidrulica isotrpico. Para una red de flujo tal como la mostrada en la Figura 5.5, las lneas equipotenciales ilustran cmo la presin del agua del suelo vara dentro de la pendiente, y que la cantidad de flujo es igual entre las lneas de flujo adyacentes.

Un ejemplo de la aplicacin de redes de flujo para estudiar la distribucin de presiones en las laderas de roca se ilustra en la Figura 5.6. Si el pozo est situado en una zona de recarga, el flujo se produce hacia el hoyo, y las presiones artesianos puede ser desarrollada por debajo del piso de la fosa (a, b). En contraste, para pozos en las zonas de descarga, el flujo est fuera de la fosa y habr bajas presiones por debajo de la piso de la fosa (C, D).

Una discusin completa sobre la construccin o clculo de redes de flujo excede el alcance de este libro y el lector interesado puede consultar los textos completos por Cedergren (1989), Haar (1962) y Freeze y Cherry (1979) para ms detalles. El uso de mtodos grficos para la construccin de redes de flujo es a menudo un paso importante en la comprensin de cmo los sistemas de geologa y drenaje influyen posibles condiciones de agua subterrnea dentro de una pendiente.

5.4 Flujo de agua subterrnea en roca fracturada

Como se discuti en la Seccin 5.2 en la conductividad hidrulica, el flujo de agua subterrnea en macizos rocosos fracturados se produce predominantemente a lo largo de las discontinuidades debido a la muy baja conductividad hidrulica principal de la mayora de la roca intacta. Por lo tanto, la conductividad de masas de roca se ver influenciada por las caractersticas de las discontinuidades, con una condicin necesaria requerida para el flujo es que la persistencia de las discontinuidades es mayor que la separacin. La Figura 5.7 muestra una masa de roca que contiene dos conjuntos de conjuntos verticales y un conjunto horizontal en la que la persistencia de las juntas verticales es mucho mayor que la separacin, pero el persistencia del conjunto horizontal es menor que la separacin. Para estas condiciones, la conductividad hidrulica sera significativamente mayor en la direccin vertical que en la direccin horizontal.

El anlisis de flujo en roca fracturada puede llevarse a cabo ya sea suponiendo que la roca es un continuo, como se ha supuesto en la derivacin de la ecuacin de flujo y dibujo redes de Darcy, o que la roca es un no-continuo en el que flujo laminar se produce en discontinuidades individuales.Rock puede suponer un continuo si el espaciamiento de las discontinuidades es suficientemente estrecha que la roca fracturada acta hidrulicamente como un medio poroso granular de modo que el flujo se produce a travs de un nmero de discontinuidades.

5.4.1 El flujo en discontinuidades limpias, lisasEl flujo de agua a travs de fisuras en la roca se ha estudiado en detalle por Huitt (1956), Snow (1968), Louis (1969), Sharp (1970), Maini (1971) andothers. Posterior a esto, una amplia investigacin se ha llevado a cabo sobre este tema en relacin con el diseo de las instalaciones de almacenamiento de residuos nucleares subterrneas; este trabajo ha proporcionado mucha informacin adicional sobre el flujo de fluido en roca fracturada. Sin embargo, para el propsito de esta discusin, el problema se simplifica a la de la determinacin de la conductividad hidrulica equivalente de una matriz de paralelas, lisas, limpias discontinuidades (Davis, 1969). La conductividad hidrulica paralela a esta matriz est dada por

donde g es la aceleracin de la gravedad (9,81 m / s2), E y B son, respectivamente, la abertura de la discontinuidad y el espaciado y es el coeficiente de viscosidad cinemtica (1,01 10-6 m2 / s de agua pura a 20C).

La conductividad equivalente de una matriz paralela de discontinuidades en relacin con la abertura y el espaciado se muestra en la Figura 5.8. Dado que la conductividad hidrulica es proporcional a la tercera potencia de la abertura, pequeos cambios en la abertura debido, por ejemplo, para aumentar la tensin en la roca se disminuyen significativamente la conductividad. Esta condicin podra desarrollarse en el dedo del pie de una ladera empinada donde las altas tensiones disminuyen la apertura y el resultado en un aumento de la presin de agua en la pendiente.

Las figuras 5.4 y 5.8 demostrar la aplicacin de la ecuacin (5.5) para las conductividades hidrulicas reales de las masas de roca. Por ejemplo, la conductividad de andstone es de aproximadamente 10-6 cm / s, mientras que la de basalto fracturado y articulado se trata de 10-2 cm / s. Esta diferencia en la conductividad de cuatro rdenes de magnitud se puede atribuir a la disminucin de la separacin conjunta 1-0,1 m, y la abertura creciente por una pequea cantidad desde 0,02 hasta 0,2 mm.Se estudi la relacin entre la apertura de la discontinuidad y de la conductividad hidrulica para la construccin de las esclusas de barco en el Proyecto de las Tres Gargantas en China, que involucr a hacer excavaciones paralelas con profundidades de hasta 170m en fuerte, granito articulado (Zhang et al., 1999).Las excavaciones causadas relajacin de la roca en las paredes de las esclusas y la apertura de las articulaciones, lo que result en el aumento de la conductividad hidrulica por un factor de 18. La aplicacin de una presin de 2 MPa apoyo en las paredes verticales de la excavacin result en la conductividad hidrulica solamente aumentar por un factor de 6 a partir de la condicin en situ....

5.4.2 Flujo en discontinuidades llenas

La ecuacin (5.5) se aplica slo a flujo laminar en planas, lisas, discontinuidades paralelas y representa la ms alta conductividad hidrulica equivalentepara sistemas de fracturas. La conductividad hidrulica equivalente ms bajo se produce para discontinuidades infilled, y est dada por

donde Kf es la conductividad hidrulica del relleno y Kr es la de la roca intacta. El trmino Kr se incluye en la ecuacin (5.6) para dar cuenta de la condicin donde hay flujo tanto en la roca intacta y a lo largo de las discontinuidades.

Aunque las ecuaciones (5.5) y (5.6) ilustran los principios de flujo de agua a lo largo de planos de discontinuidad, este modelo simple no puede ser utilizado para calcular la conductividad hidrulica de masas roca fracturada reales. Los mtodos de modelado de flujo de agua subterrnea en roca se han desarrollado utilizando tcnicas probabilsticas para simular, en tres dimensiones, los rangos probables de caractersticas de discontinuidad que puedan ocurrir. Una de tales tcnicas de modelado es termedFRACMAN (Dershowitz et al., 1994; Wei et al., 1995).

5.4.3 roca heterognea

La figura 5.9 muestra una secuencia de inmersin superficial de la piedra arenisca y esquisto camas.

El esquisto, que es una roca de grano fino con pocas discontinuidades persistentes, tiene una baja conductividad hidrulica y se denomina un acuitardo. En contraste, la piedra arenisca, que es de grano grueso, tiene una relativamente alta conductividad hidrulica y se denomina un acufero. Debido a la diferencia significativa entre las propiedades hidrulicas de la pizarra y piedra arenisca, esta es una masa de roca heterognea. Redes de flujo en roca heterognea se modifican desde la simple neta se muestra en la Figura 5.5, porque las lneas de flujo utilizan preferentemente las formaciones de alta conductividad como conductos y atraviesan las formaciones de baja conductividad por la ruta ms corta posible. Los equipotenciales tienden a perder una proporcin mayor de la cabeza en la formacin baja conductividad que en la formacin de mayor conductividad. Este comportamiento resulta en la refraccin de las lneas de flujo en el lmite de la formacin, dependiendo de las conductividades relativos, de acuerdo con la relacin siguiente:

La refraccin ngulos 1 y 2 se definen en la Figura 5.9 para una relacin de conductividadK1 / K2 = 10.Caractersticas de las condiciones de flujo que se muestran en la Figura 5.9 son los siguientes. En primer lugar, el flujo en el acufero no confinado superior tiende a fluir hacia abajo por inmersin en la piedra arenisca y sale de la pendiente en el contacto de la piedra arenisca / esquisto. Esta lnea de infiltracin en la pared valle sera una indicacin de la ubicacin del contacto. En segundo lugar, el flujo en la parte baja, acufero confinado se recarga desde una fuente hasta por inmersin desde el valle que se desarrolla presin artesiana en la arenisca.Esta condicin podra ser demostrada por completar un piezmetro en la arenisca inferior, en la que el agua se elevara por encima de la superficie del suelo hasta el nivel de la equipotencial en el que se sella. En tercer lugar, el flujo en el acufero confinado se refracta en el lmite y fluye hacia arriba en la pizarra para salir en el fondo del valle.

5.4.4 anisotrpico roca

En las formaciones tal como la mostrada en la figura 5.7, en el que la conductividad de un conjunto o conjuntos de discontinuidades es mayor que otro conjunto, la masa de roca exhibir conductividad hidrulica anisotrpica. Para la roca se muestra en la figura 5.7, la conductividad hidrulica vertical ser considerablemente ms que eso en la direccin horizontal. En la red de flujo, conductividad hidrulica anisotrpico se representa mediante cuadrados formados por las lneas de flujo y equipotenciales est alargada en la direccin de la mayor conductividad hidrulica. En general, larelacin de aspecto de las lneas de flujo / plazas equipotenciales es igual a (K1 / K2) 1/2.

Ejemplos de redes de flujo en roca isotrpica y anisotrpica se muestran en la Figura 5.10. La importancia de estas condiciones para la estabilidad pendiente es como sigue. En primer lugar, en roca con alta conductividad hidrulica en la direccin horizontal, tal como piedra arenisca horizontalmente camas, el agua subterrnea puede drenar fcilmente a partir de la pendiente (figura 5.10 (b)). Para estas condiciones habr presiones de agua relativamente bajos sobre superficies de deslizamiento potenciales en comparacin con el caso isotrpico. En segundo lugar, en la roca con alta conductividad hidrulica paralela a la cara como un corte pendiente paralela a la ropa de cama, fluyan a la cara se inhibi y altas presiones de agua va a desarrollar en la pendiente. Para la pendiente se muestra en la Figura 5.10 (c), el uso de drenajes horizontales que conectan los planos de estratificacin de alta conductividad a la cara sera eficaz en la reduccin de las presiones de agua dentro de la pendiente.

5.4.5 El agua subterrnea en las laderas rocosas

La discusin sobre el flujo de las aguas subterrneas en las masas de roca que muestra detalles de la geologa pueden tener un efecto significativo en la presin del agua y las cantidades de infiltracin en laderas rocosas. Adems de las condiciones que se muestran en las Figuras 5.9 y 5.10 que se relacionan con la roca heterogneo y anistropo, una variedad de otras condiciones de agua subterrnea posibles estn relacionados con la geologa de la siguiente manera:A. Las articulaciones de persistencia baja que no estn conectados a la cara pendiente pueden desarrollar presiones de agua transitorios altos, en comparacin con las juntas con mayor persistencia que estn conectados a la cara y permiten que el agua de drenaje en la cara (Figura 5.11 (a)). Cabe sealar que los daos explosin es una de las causas de las articulaciones persistentes y fracturas cercanas a la cara. Sin embargo, cualquier mejora en la estabilidad de la pendiente, debido al aumento en la conductividad es probablemente-pes a cabo por la disminucin en la estabilidad resultante de daos explosin a la roca.B. La porosidad de la masa de roca afectar el nivel de la tabla de agua transitorio en respuesta a la misma evento de precipitacin (Figura 5.11 (b)). En una masa de roca porosa el agua infiltrarse estar contenido dentro de la roca con el resultado de que habr un pequeo aumento en el nivel fretico. Por el contrario, una fuerte roca con articulaciones ampliamente espaciados tendr baja porosidad as el flujo de agua subterrnea se llenar rpidamente las articulaciones y aumentar la presin del agua dentro de la pendiente. Se encuentra comnmente esa roca cae sobre ocurren paredes rocosas escarpadas poco despus de las fuertes lluvias, sobre todo si el agua se congela y se expande detrs de la cara.

C. Faltas que comprenden arcilla y roca erosionada puede tener baja conductividad y actan como barreras de agua del suelo detrs de la cual las altas presiones de agua podran desarrollar. Por el contrario, las fallas que comprende triturado y piedra partida pueden tener alta conductividad y actan como un drenaje (Figura 5.11 (c)). La medicin de presiones de agua a cada lado de la falla indicar las propiedades hidrulicas de estas caractersticas.

Figura 5.11 Relacin entre la geologa y las aguas subterrneas en las laderas: (a) variacin en la presin del agua en las articulaciones relacionadas con la persistencia; (b) la comparacin de los niveles freticos en laderas excavadas en roca porosa y articulado; (c) defectos como barrera de agua a tierra de baja conductividad, y alta conductividad de drenaje sub-superficie (Patton y Deere, 1971).

5.5 Medicin de la presin del agua

La importancia de la presin del agua a la estabilidad de las pendientes se ha hecho hincapi en los captulos anteriores. Si una estimacin fiable de la estabilidad se ha de obtener o si la estabilidad de una pendiente va a ser controlada por el drenaje, es esencial que se midieron las presiones de agua dentro de la pendiente. Tales medidas son las ms convenientemente llevadas a cabo por piezmetros. Piezmetros son dispositivos de sellado dentro de la planta, generalmente en pozos de sondeo, que responden nicamente a la presin del agua subterrnea en la vecindad inmediata, y no a tierra presiones de agua en otros lugares. Piezmetros tambin se pueden usar para medir la conductividad hidrulica en situ de masas de roca utilizando pruebas de cabeza variables como se describe en la Seccin 5.6.

Los siguientes son una serie de factores que pueden ser considerados en la planificacin de una instalacin de piezmetros para medir presiones de agua en una pendiente de roca:A. El taladro debe estar orientada de tal manera que se cruzar las discontinuidades en las que es probable que haya que fluye el agua subterrnea. Por ejemplo, en una roca sedimentaria que contiene camas persistentes pero articulaciones baja persistencia, el agujero debe intersectar las camas.

B. La zona de la finalizacin del piezmetro se debe colocar en la masa de roca contiene discontinuidades. Por ejemplo, si ncleo de perforacin est disponible, debe ser estudiado para localizar zonas de roca fracturada o esquilada, donde es probable que se concentra el flujo de agua subterrnea. Colocacin de la zona de finalizacin en roca masiva con pocas discontinuidades puede proporcionar informacin limitada sobre las presiones de agua subterrnea. La longitud de la zona de finalizacin en roca es generalmente ms largo que en el suelo debido a la necesidad para intersectar discontinuidades.

C. Otras caractersticas geolgicas que pueden ser considerados en instalaciones piezmetros son zonas de falla. Estos pueden actuar como conductos para el agua subterrnea si contienen roca triturada, o pueden ser barreras a tierra flujo de agua si contienen gubia arcilla. En el caso de fallas de alta conductividad hidrulica, la zona de terminacin puede estar situado en el fallo, y para los fallos de conductividad hidrulica bajas, las zonas de terminacin puede estar situado a cada lado de la falla para determinar cualquier diferencia de presin.

D. El nmero de piezmetros, o el nmero de zonas de terminacin en un solo piezmetro, puede ser determinada por la geologa. Por ejemplo, en un depsito sedimentario que contiene bajo esquisto conductividad hidrulica y relativamente alta conductividad hidrulica piedra arenisca, puede ser necesario instalar zonas de terminacin en cada unidad de la roca.

E. El retraso hidrodinmico es el volumen de agua requerido para registrar una fluctuacin cabeza en un tubo vertical de piezmetros. El retraso de tiempo depende principalmente del tipo y dimensiones del piezmetro y puede ser significativo en roca con baja conductividad hidrulica. Piezmetros de tubo vertical tienen un mayor retraso hidrodinmico de piezmetros de diafragma ya que se requiere un mayor movimiento de los poros o agua conjunta para registrarse. Se utiliza el trmino tiempo de respuesta lento para describir un largo lapso de tiempo hidrodinmica.

F. En las laderas rocosas donde se utiliza el piezmetro para medir la presin del agua conjunta en la que las fluctuaciones de presin no es probable que sea significativo, un piezmetro tubo vertical es probable que sea adecuado. Sin embargo, si el propsito de la piezmetro es medir la respuesta de las presiones de agua del suelo a un sistema de drenaje, tales como una serie de drenes horizontales, o para detectar presiones de agua transitorios en respuesta a la precipitacin, a continuacin, un piezmetro diafragma con un tiempo mucho ms corto lag sera ms apropiado.G. El material de filtro en la zona de finalizacin debe ser adecuado para el tipo de roca. Instalaciones en esquistos arcillosos o resistido rocas micceas deben utilizar material de filtro de grano fino que no ser obstruido por los productos de meteorizacin de la roca lavadas desde las paredes del agujero.

H. El costo y la confiabilidad son otros factores a considerar en la seleccin de los tipos de piezmetros. Piezmetros de tubo vertical son fciles de instalar y se pueden leer con sirenas as baratas, mientras piezmetros de cuerda neumticos y vibrantes son caros y requieren unidades de lectura ms costosas. En situaciones donde la pendiente se est moviendo y piezmetros puede perderse, sera preferible instalar piezmetros de tubo vertical por razones de economa.

La siguiente es una breve descripcin de los tipos de piezmetros y las condiciones en las que se pueden utilizar (Dunnicliff, 1993). Presiones de agua de observacin pozos-tierra pueden ser monitoreadas en agujeros abiertos si la permeabilidad del macizo rocoso es mayor de aproximadamente 4.10 cm / s, como areniscas de grano grueso y roca altamente fracturada. La principal limitacin de pozos de observacin es que crean una conexin vertical entre los estratos por lo que su nica aplicacin es en roca permeable consistente en que la presin del agua del suelo aumenta continuamente con la profundidad. Pozos de observacin rara vez se utilizan en el control de la presin de agua subterrnea en roca.

piezmetros-un tubo vertical piezmetro tubo vertical consta de una longitud de tubo de plstico, con una seccin perforada o porosa en el extremo inferior, que est encerrado en grava o arena limpia para proporcionar una buena conexin hidrulica con la roca (Figura 5.12). Esta seccin perforada del piezmetro, que es el punto

donde se mide la presin del agua, est aislado del resto del agujero con un sello de bentonita y una capa de filtro para prevenir la contaminacin de la arena limpia alrededor de la seccin perforada. La bentonita se coloca generalmente en forma de grnulos compactados que caern una profundidad considerable en un agujero lleno de agua antes de que se expanden. En agujeros muy profundos, las bolas pueden ser remojados primero en aceite para formar una capa protectora que retarda su expansin. Sin embargo, se prefiere el cemento como sello para agujeros con profundidades superiores a unos 300 m.El nivel de agua en un piezmetro tubo vertical se puede medir con una sonda de bien que consiste en un cable elctrico graduado, con dos extremos desnudos, conectado a un circuito elctrico que consta de una batera y un ampermetro. Cuando el desnudo termina de agua de contacto, el circuito se cierra y la corriente se ha registrado en el ampermetro. Las ventajas de este tipo de piezmetro son que es simple y fiable, pero las desventajas son que debe haber acceso a la parte superior del agujero, y no puede haber retraso de tiempo significativo en roca baja conductividad.

-A piezmetros tiempo de respuesta rpido neumtico puede lograrse usando piezmetros neumticos que comprenden un conjunto de vlvula y un par de lneas de aire que conectan la vlvula a la superficie. La vlvula se coloca en la seccin de sellado de la piezmetro para medir la presin del agua en ese punto. El principio de funcionamiento es bombear aire hacia abajo la lnea de suministro hasta que la presin de aire es igual a la presin del agua que acta sobre un diafragma en la seccin de sellado y la vlvula se abre para iniciar aire que fluye en el tubo de retorno. La presin requerida para abrir la vlvula se registra en un manmetro de presin en la superficie.Piezmetros neumticas son adecuadas para las instalaciones de roca de baja conductividad, y son particularmente tiles cuando no hay acceso al collar del agujero desde lecturas se pueden hacer en una ubicacin remota. Las desventajas de este tipo de piezmetro son el riesgo de dao a las lneas ya sea durante la construccin o el funcionamiento, y la necesidad de mantener una unidad de lectura calibrada.

mediciones de presin electrnico transductores de agua con transductores elctricos permiten un tiempo de respuesta muy rpida y la oportunidad de registrar y procesar los resultados a una distancia considerable de la pendiente. Los tipos comunes de transductores elctricos incluyen medidores de tensin y medidores de vibracin de alambre que miden la presin con un alto grado de precisin. Se recomienda que todos los transductores ser probados y calibrados antes de la instalacin a fondo. Tambin hay que tener en cuenta que la fiabilidad a largo plazo de estos instrumentos elctricos sensibles puede no ser igual a la vida til de la pendiente y debe disponerse que para su mantenimiento y posible reemplazo.

piezmetros-para Multi-terminacin laderas excavadas en tipos de roca con diferentes conductividades hidrulicas, es posible que existan zonas de alta presin de agua del suelo en un rea generalmente despresurizado. En tales circunstancias, puede ser deseable medir la presin del agua del suelo en un nmero de puntos en un agujero de perforacin. Esto se puede lograr mediante la instalacin de mltiples piezmetros de tubo vertical en un solo agujero de taladro con bentonita o cemento juntas entre cada seccin de tubera perforada. El nmero mximo de tales tubos verticales que se pueden instalar en un pozo de sondeo NX es de tres; con ms tuberas, la colocacin de filtro y eficazsellos se vuelve muy difcil.Un mtodo alternativo de medir la presin de agua en un nmero de diferentes puntos en un agujero de perforacin es utilizar un sistema (MP) Multi-puerto que tambin permite la medicin de la conductividad hidrulica y la recuperacin de muestras de agua (Negro et al., 1986) (Figura 5,13). El sistema parlamentario es un dispositivo de vigilancia a nivel de mltiples modular empleando un nico, cerrado tubo de acceso con los puertos con vlvula. Los puertos con vlvula permiten el acceso a diferentes niveles de una perforacin en un solo revestimiento del pozo, y los permisos de diseo modular como muchas zonas de vigilancia como se desea que se establezcan en un agujero de perforacin. El sistema consta de los componentes de la carcasa que se instalan permanentemente en el agujero de perforacin, y transductores de presin, sondas de muestreo y herramientas especializadas que se bajan por el agujero. Los componentes de la carcasa incluyen secciones de revestimiento de varias longitudes, dos tipos de acoplamientos con vlvulas de puerto con capacidades a medida o bien la presin o tomar muestras. Los conjuntos de puertos pueden ser aislados en el agujero de perforacin mediante el sellado de la corona circular entre las zonas de vigilancia, ya sea utilizando pares de embaladores, o rellenando el anillo con una lechada de cemento o sello bentonita. El sistema de MP se ha utilizado en pozos de perforacin de hasta 1200m de profundidad.

Figura 5.13 Mltiple instalacin de piezmetros finalizacin (sistema de MP, Westbay Instruments) con la sonda colocada para hacer mediciones de la presin (Negro et al., 1986). (a) de la sonda situada en el puerto de acoplamiento de medicin; (b) de la sonda de medicin de la presin del fluido fuera de acoplamiento.

5.6 Campo de medicin de la conductividad hidrulica

Determinacin de la conductividad hidrulica de una masa de roca es necesario si se requieren estimaciones de la descarga de agua subterrnea de una pendiente, o en el diseo de un sistema de drenaje.

Para la evaluacin de la estabilidad de las laderas, es la presin del agua en lugar del volumen de flujo de agua subterrnea en la masa de roca que es importante. La presin del agua en cualquier punto es independiente de la conductividad hidrulica de la masa de roca en ese punto, pero no depende de la trayectoria seguida por el agua subterrnea en llegar al punto (Figuras 5.9 y 5.10). Por lo tanto, la heterogeneidad y la anisotropa de la masa de roca con respecto a la distribucin de la conductividad hidrulica es de inters en la estimacin de la distribucin de la presin de agua en una pendiente.Debido a que el flujo de agua subterrnea en roca fracturada tiene lugar predominantemente en las discontinuidades, es necesario que las mediciones de conductividad hidrulica hacerse in situ; no es posible simular el flujo de agua en una masa de roca fracturada en el laboratorio. La siguiente es una breve descripcin de los dos mtodos ms comunes en las pruebas de conductividad situ, pruebas de cabeza a saber, variables y pruebas de bombeo. Los procedimientos detallados para pruebas de conductividad hidrulica se describen en la literatura, y las propias pruebas se realizan normalmente por los especialistas en el campo de la hidrogeologa.

5.6.1 pruebas cabeza Variable

Con el fin de medir la conductividad hidrulica a un "punto" en una masa de roca, es necesario cambiar las condiciones de agua subterrnea en ese punto y para medir el tiempo tomado para las condiciones originales para ser restablecidos. Estas pruebas se llevaron a cabo ms convenientemente en un pozo de sondeo, y la longitud de la prueba pueden representar las propiedades generales de masa de roca en la pendiente, o la prueba pueden estar situados en una caracterstica geolgica especfica tal como un fallo. Un requisito esencial de la prueba es que la pared del pozo est limpio y no hay obstruccin de las discontinuidades de los recortes de perforacin o lodo de perforacin. Para ello ser necesario el lavado del agujero y la utilizacin de los lodos de polmeros que se descomponen algn tiempo despus de la perforacin para dejar un agujero limpio (vase la Seccin 3.6.2).

Configuraciones de prueba. Un nmero de configuraciones de prueba de pozo son posibles. A piezmetro instalado en un agujero de perforacin aislar una seccin en el extremo del agujero (Figura 5.14 (a)), o en algn momento hasta el agujero. Tambin es posible llevar a cabo mediciones de conductividad hidrulica en agujeros abiertos (Figura 5.14 (b)), aunque es necesario que las condiciones geolgicas son consistentes en toda la longitud de ensayo.

Procedimiento de prueba. El procedimiento para la prueba de cabeza variable es primero para establecer el nivel de agua de descanso, que es el nivel de equilibrio esttico de la capa fretica en la ubicacin de perforacin (Figura 5.14 (a) y (b)). El bombeo de agua de circulacin durante la perforacin se perturba este equilibrio y los resultados de permeabilidad estar en error si. Se conceder tiempo suficiente para que se restablezca el equilibrio. Una vez que el equilibrio se ha establecido, el agua o bien se puede retirar de (prueba de la fianza) o aadido a (prueba de bala) del tubo vertical (prueba piezmetro) o agujero para cambiar el nivel del agua. Si la prueba se lleva a cabo por encima de la tabla de agua es necesario realizar una prueba de slug, mientras que para una prueba por debajo de la tabla de agua, se prefiere una prueba de fianza porque el flujo de agua fuera de la formacin minimiza la obstruccin de las fracturas.

Se aade agua o se retira desde el agujero para cambiar el nivel de agua por sobre 1-2m y la velocidad a la que el nivel de agua se recupera a se mide el nivel de equilibrio. Para la prueba se muestra en la Figura 5.14 (a), la conductividad hidrulica K se calcula a partir de la siguiente relacin general:

donde F es el factor de forma. Para un taladro con un radio R y una zona de prueba de longitud L, el factor de forma est dada por

En la ecuacin (5.8), A es el rea de la seccin transversal del tubo vertical (A = r2) y R es el radio interno del tubo vertical. Para una prueba de la libertad bajo fianza, t1 y t2 son los tiempos en los que los niveles de agua se encuentran en profundidades h1 y h2 respectivamente por debajo del nivel de agua en equilibrio. Las cabezas diferenciales h1 y h2, as como los h0 iniciales de cabeza de equilibrio, se definen en la Figura 5.14 (a), mientras que un grfico semilogartmico tpico de la subida del nivel del agua en la carcasa con el tiempo se muestra en la Figura 5.14 (c).Los tipos de prueba mostrados en la Figura 5.14 son adecuados para la medicin de la conductividad hidrulica de roca razonablemente uniforme. Anisotrpicas coeficientes de conductividad hidrulica no se pueden medir directamente en estas pruebas pero subsidio se pueden hacer para esta anisotropa en los clculos de la siguiente manera. Si se realiza una estimacin de la relacin de conductividades Kv hidrulico vertical y horizontal y Kh respectivamente, la relacin de m est dado por

y el factor de forma F dada por la ecuacin (5.9) se modifica de la siguiente manera:

Cuando este valor de F se sustituye en la ecuacin (5.8), entonces el valor calculado de la conductividad hidrulica, K, es la conductividad hidrulica media dada por (Kv Kh).

Figura 5.14 Mtodo de clculo conductividad hidrulica para la prueba de la cabeza variables: (a) piezmetro con una longitud de finalizacin L; (b) el agujero abierto a profundidad D debajo fretico; (c) trama tpica de incremento cabeza (recuperacin) contra el tiempo.

Pruebas Packer. Cuando se requieren pruebas de conductividad en lugares especficos dentro de un taladro, una zona de prueba se puede aislar usando empacadores colocados en cualquier lugar en el agujero, y por encima de cualquier longitud requerida (Figura 5.15). Packer pruebas se pueden hacer durante la perforacin de diamante usando un sistema de triple packer que se baja a travs de las varillas de modo que la prueba se realiza en una parte del orificio por debajo de la broca. El sistema consta de tres empacador empacadores de goma inflables, cada 1m de largo que es

Figura 5.15 arreglo Triple empacador para hacer pruebas de conductividad hidrulica de cabeza variable en conjuncin con perforacin diamantina (Wyllie, 1999).

suficiente para minimizar el riesgo de fuga pasado el packer. Los dos empacadores inferior estn unidas por un tubo de acero perforada, cuya longitud depende de la longitud de ensayo requerida, mientras que los envasadores superior y medio estn unidos por un tubo slido. El conjunto de packer conjunto se baja por el agujero de perforacin en la lnea de alambre a travs de las barras de perforacin y los dos empacadores inferior se extienden a travs de la broca en el agujero abierto, mientras que el obturador superior se encuentra en el extremo inferior de la vasija del ncleo. Los tres empacadores son entonces inflados con nitrgeno a travs de un pequeo tubo de plstico de dimetro que corre por el agujero. Los empacadores inflados sellan el conjunto embalador en las barras, y aislar una longitud de perforacin poco belowthe. Si se elimina el agua de las barras de perforacin, el agua fluir desde la formacin de la roca, durante el intervalo de prueba aislado por los dos empacadores inferiores, y a travs de la tubera perforada para restaurar el nivel de agua en las varillas. Este flujo de agua se mide mediante la monitorizacin del cambio de nivel de agua en las barras de perforacin con el tiempo. Un grfico de los resultados es cabeza trama de recuperacin tal como el mostrado en la Figura 5.14 (c). Cedergren (1989) ofrece una discusin exhaustiva de las pruebas de conductividad hidrulica cabeza variable.

5.6.2 Prueba de Bombeo

Las principales limitaciones de las pruebas de conductividad llevadas a cabo en pozos de perforacin son que slo un pequeo volumen de roca en la proximidad del orificio se prueba, y no es posible determinar la anisotropa de la masa de roca. Tanto estas limitaciones se superan mediante la realizacin de pruebas de la bomba, tal como se describe brevemente en el prrafo siguiente.

Una disposicin de prueba de la bomba consiste en un pozo vertical equipado con una bomba, y un conjunto de piezmetros en el que la elevacin de la mesa de agua se puede medir en la masa de roca que rodea el pozo. Los piezmetros se pueden organizar de modo que la influencia de diversas caractersticas geolgicas de las condiciones del agua subterrnea se puede determinar. Por ejemplo, piezmetros se podran instalar en cualquier lado de un fallo, o en direcciones paralela y perpendicular a conjuntos de discontinuidades persistentes tales como planos de estratificacin. Seleccin de la mejor ubicacin tanto para el pozo de bombeo y los pozos de observacin requiere una considerable experiencia y juicio, y slo debe llevarse a cabo despus de las investigaciones geolgicas exhaustivas han llevado a cabo.

El procedimiento de ensayo consiste en bombear waterat un ritmo constante desde el pozo y la medicin de la cada de nivel de agua en ambos bien el bombeado y los pozos de observacin. La duracin de la prueba puede variar desde tan corto como ocho horas para tanto tiempo como varias semanas, dependiendo de la permeabilidad de la masa de roca. Cuando se detiene el bombeo, los niveles de agua en todos los pocillos se miden hasta un nivel de agua esttico se determina-esto se conoce como la etapa de recuperacin de la prueba. Parcelas de dibujar hacia abajo (o recuperacin) contra el tiempo pueden ser utilizados para calcular los valores de permeabilidad utilizando mtodos descritos por Cedergren (1989), Todd (1959), Jacob (1950) y Theis (1935).

Debido al costo y el tiempo necesarios para la realizacin de una prueba de bomba, que rara vez se llevan a cabo para la ingeniera pendiente rocosa. Un ejemplo de una situacin en la que una prueba de la bomba puede estar justificado sera evaluar la viabilidad de la conduccin de un socavn de drenaje para la estabilizacin de un deslizamiento de tierra. En general, la instalacin de piezmetros para medir el nivel fretico y llevar a cabo pruebas de cabeza variables para medir la conductividad hidrulica en sondeos proporcionan suficiente informacin sobre las condiciones del agua del suelo para fines de diseo pendiente.

5.7 Ejemplo Problema 5.1: Influencia de geologa y las condiciones climticas los presenciales niveles de agua

Declaracin

Figura 5.16 muestra una pendiente, cortado en isotrpica, roca fracturada, bajo una variedad de condiciones operativas y climticas; en todos los casos el agua subterrnea se est infiltrando en la superficie del terreno horizontal detrs de la cima de la pendiente (Terzaghi, 1962).En la Figura 5.16 (a) la pendiente ha sido recientemente excavado, y antes de la excavacin, el nivel fretico era horizontal y en una profundidad por debajo de la superficie del suelo. En la figura 5.16 (b) y (c) la pendiente ha estado abierto por un tiempo suficientemente largo para la tierra las condiciones de equilibrio del agua que se establezcan, pero las condiciones climticas varan. El objetivo del ejercicio es esbozar en el suelo fretico en cada pendiente basado en el comportamiento general de las aguas subterrneas en las laderas que se rige por la ley de Darcy.

Figura 5.16 Cut talud en roca con la infiltracin de agua en la superficie de suelo detrs de la cresta para el Ejemplo 5.1: (a) la posicin de la superficie de las aguas subterrneas antes de la excavacin; (b) pendiente con variedad de condiciones de infiltracin de la superficie y de la conductividad de la roca; (c) la pendiente con una mayor conductividad de la roca cerca de la cara, y diversas condiciones climticas.

Necesario

A. En la seccin transversal en la Figura 5.16 (a), dibuje la posicin aproximada del nivel fretico del suelo despus de la excavacin de la ladera.

B. En la seccin transversal en la Figura 5.16 (b), dibuje las posiciones aproximadas de la tabla de agua subterrnea para las siguientes condiciones:

Infiltracin grande, baja conductividad hidrulica; y pequea infiltracin, alta conductividad hidrulica.

Figura 5.17 Posiciones de superficie de las aguas subterrneas para las condiciones que se muestran en la Figura 5.16 para el Ejemplo 5.1: (a) la posicin de la superficie del agua del suelo antes y despus de la excavacin; (b) las posiciones relativas de la capa fretica de las variaciones de flujo y conductividad; (c) las posiciones hipotticas de la superficie de las aguas subterrneas en la roca articulado por la variedad de condiciones climticas.

C. En la seccin transversal en la figura 5.16 (c) elaborar las posiciones aproximadas de la tabla de agua subterrnea para las siguientes condiciones:

Las juntas en la cara pendiente conectado con hielo; inmediatamente despus de una fuerte tormenta; temporada de lluvias; y estacin seca.

Solucin

Figura 5.17 (a), (b) y (c) muestran las posiciones de la tabla de agua subterrnea bajo las diversas condiciones que se muestran en la Figura 5.16. En general, la roca cerca de la cara de pendiente ha sido perturbado por la voladura y ha experimentado alivio del estrs por lo que tendr una conductividad hidrulica ms alta que la roca sin ser molestados. Cuando la conductividad hidrulica es alta, los drenajes de roca fcilmente y el nivel fretico del suelo tiene un gradiente relativamente plana.

Si se congela la cara y el agua no puede drenar partir de la pendiente, la superficie de las aguas subterrneas se levantar detrs de la cara. La misma situacin se presenta cuando la infiltracin pesada excede la velocidad a la que la roca se agotar.