influencia en el agua intersticial sobre el comportamiento

8/18/2019 Influencia en El Agua Intersticial Sobre El Comportamiento

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Capitulo 3

INFLUENCIA EN EL AGUA INTERSTICIALSOBRE EL COMPORTAMIENTO DE LOS

MACIZOS ROCOSOS.


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Cuando existen gradientes hidráulicos el agua se filtra através de los poros, fisuras, diaclasas, fallas y cavidadesproduciendo acciones hidráulicas, mecánicas, físicas y

químicas en el interior de las rocas.

El agua subterránea se encuentra normalmente a presión,

la cual aumenta con la profundidad, llegando hasta valoresmuy elevados. Estas presiones del agua son factoresfundamentales en el comportamiento de los macizos

rocosos.

Introducción


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Presencia de aguaen macizos rocosos

Afecta elcomportamiento

mecánico e hidráulicodel macizo

Modificando su respuestatensional y afectando el

comportamiento estructuralde la obra

Flujo de agua

Poros

Microfisuras

Diaclasas

Planos de discontinuidad

Modifica presiones intersticiales delas rocas

Modifica la respuesta esfuerzo

deformación

Provoca alteración química ymecánica

Modifica el comportamientohidráulico


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La circulación del agua en un medio poroso, viene determinada por losgradientes hidráulicos

Circulación del agua en medios porosos

¡ = + γᵂ

= =

Donde:

z = nivel del aguap = presión en el punto considerado

γᵂ = peso específico del agua

U = potencial hidráulico


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Variación delPotencial

Hidráulico (U)

GeneranSubpresiones

Modifican elvolumen de las

masas

Deformaciones

Modifican laresistencia al

flujo de agua (K)

Modifican la

resistencia nodrenada en los planosde discontinuidad

Modifican la

resistencia alcorte

Fuerzas deFiltración


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La circulación de agua y otros fluidos en sólidos permeables sigue laLey de Darcy

=

Donde:

v = velocidad de flujo

K = coeficiente de permeabilidad

I = carga hidráulica


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La permeabilidad puede relacionarse con las características físicas del solidoy del fluido mediante la relación:

Donde:

D = es el diámetro efectivo de las aberturas (los poros o diaclasas)

μ = la viscosidad

γᵂ= el peso especifico del liquido

K = coeficiente físico de permeabilidad

K = permeabilidad absoluta

K =²ᵂ

μ=

ᵂ

μ


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Relaci0n entre elcoeficiente depermeabilidad

(K) ypermeabilidad

absoluta (k)

POISEUILLE

K =²ᵂ

μ=

ᵂ

μ

Flujo esestablecido

V = constante

V < v critica

FLUJOESTABLECIDO

Números deReynolds < 4


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k

Calizas y granitos 1*10⁻ᴵ⁰cm/seg

Areniscas 1*10 ⁻ᶾ cm/seg

Argilitas 1*10⁻⁴ - 1*10 ⁻² cm/seg

Par a que la roca de cimentación no necesite tratamiento ,de acuerdo con el criterio de LUGEON , debe tener un

k= 1*10⁻⁵

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Jimenez Suárez y Uriel, en ensayos de flujo radial (bajo ciclos de carga ydescarga) en capas de lignito en que se cimenta la presa Mequinenza,

demostraron que el coeficiente de permeabilidad (K) aumenta en medidaque el esfuerzo efectivo decrece sobre la roca en rangos importantes, lo cual

lo atribuyen más al sistema de diaclasado del macizo que a los poros de laroca; lo cual genera un problema hidráulico asociado a la anisotropía del

macizo.

Dicho fenómeno es más evidente en las rocas estratificadas.


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Flujo Tridimensional


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Ecuación de la continuidad

= =

₁²

² +₂

²

²+₃

²

²=0

Régimen estacionario en rocas anisótropas


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²

²

+²

²

+²

²

=0 ∇u²=0

Ecuación diferencialdel flujo establecido

(ecuación deLaplace)

Medio homogéneo, poroso,isótropo.

Fluido es incompresible yhomogéneo

SE CONCIDERAK1 = K2 = K3

MEDIOISOTROPO


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Solución a losproblemas de flujo

establecido

Soluciones matemáticas

Ecuacionesdiferenciales de 1°orden (solución de

Laplace)

Soluciones graficas

Ecuaciones deelementos finitos

Métodos numéricos


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Redes de flujo

LINEAS DE FLUJO:define la trayectoriadel movimiento del

agua a través delmedio poroso.

LINEASEQUIPOTENCIALES

: variación de la

presión del agua enlos poros o diaclasas

de la roca.

Dos familias decurvas


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La red de flujo quedainfluenciada por la

permeabilidad del medio

Rocas sanasdiaclasadas

Granitos

Calizas

Cuarcitas

K f

Cantidad de diaclasas yla abertura de ella.

Rocas porosas

Areniscas

Pizarras

Esquistos

Lignitos

K f

Poros de la roca


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Presa de concreto


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Líneas equipotenciales en la base y en la cimentación de una presa sindrenaje.


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Líneas equipotenciales en la base y en la cimentación de una presa condrenaje.


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El flujo de agua en macizos rocosos se establece através del sistema de discontinuidades

Existen variaciones de la velocidad del flujo a travésdel tiempo

Lo cual es función

Del estado de presionesexteriores de la roca

De la temperatura yviscosidad del agua

Régimen no estacionario a través demacizos rocosos diaclasados


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Modifican las presiones

intersticiales del agua

Modifica la abertura de lasdiaclasas

Reduce laresistencia al

corte del macizo

Disminuye elgasto defiltración

Aumenta laresistencia al

flujo


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La solución de Laplace bajo un régimen no

establecido queda expresada por la sig.Ecuación:

₁ ²² +₂²²

+₃ ²²+ γₒ₃

=∇²p+γₒ ₃ =0


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Influencia de los poros y diaclasas sobre elrégimen no estacionario

El flujo de agua a través de rocas de doble permeabilidad, dado por la influenciade los poros y de las diaclasas de la roca, queda definido por las ecuacionesdiferenciales del flujo no establecido, dado por las siguientes ecuaciones.

2₁ =1

+ ₁₀ β₁

− (₂ − ₁)

2₂ =1

+ ₂₀ β

₂

− (₂ − ₁)

Donde

= modulo elástico de la roca intacta= modulo elástico del macizo rocoso

p₂= Presión en el agua en las diaclasas

p₁= Presión del agua en los poros de la roca intacta


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Las expresiones no consideran la presencia de aire

en los poros o en las diaclasas del macizo en rocas.La aplicación de dichas ecuaciones han dadoresultados confiables en rocas muy porosas, lo cual

no es común para la cimentación de una presa;

cuando se ha aplicado dichas ecuaciones a rocasmas solidas, masivas y poco fisuradas, los

resultados obtenidos con dichas ecuaciones,

respecto a lo que se ha podido medir en campo,presenta un desfasamiento en tiempo entre lapresión del embalse y la presión intersticial como

la siguiente figura lo indica:


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Este desfasamiento es de aproximadamente 4 días y se va corrigiendo en lamedida que aumenta el tiempo de operación ; los estudios realizados sugieren que

dicho desfasamiento se debe a los cambios de permeabilidad en la roca y a latemperatura del fluido que hace que se tengan mayores caudales de filtración.


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En los Macizos Rocosos


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C o m p o

r t a m i e n t o M e c á n

i c o

d e l M a c i z o La Resistencia Limite

(Esfuerzo Cortante)

La Respuesta alEsfuerzo-Deformación

Este

comportamientoesta influenciadopor la presencia y

flujo de agua através del macizo


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Roca intactaMedio continuo,

homogéneo eisótropo

Resistencia al corte dependede la porosidad de la roca

Respuesta Esfuerzo-Deformación es elástica

(criterio de falla Hooke-Brown)

Macizorocoso

Medio discontinuo,heterogéneo y

anisótropico

Resistencia la corte esfunción del sistema de

diaclasado

(Criterio de falla Morh-

Coulomb)

=σ

ɛ

= + (σ ∗ tanφ)


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Influencia del Agua en la Resistencia alCorte de un Macizo

Macizo Rocoso

La presión intersticialen las diaclasas

Disminuye el esfuerzonormal efectivo como

consecuencia la resistenciaal corte.

El estado de

esfuerzos en losporos de la roca

intacta

Saturado


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Conclusiones

• La resistencia al corte en la roca intacta nocambia independientemente de que se

considere la presión intersticial en los poros

de la roca.

• La porosidad de la roca hace que la falla seade tipo plástico como en suelos bajo el

criterio de Mohr-Coulomb (calizas, areniscasy pizarras)


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Permeabilidad


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Prueba Lugeon

Se emplean para conocer la permeabilidad de una formación constituida por

roca compacta fracturada. La unidad de medición es el Lugeon que es iguala la filtración de 1 litro por minuto por metro de perforación a la presión de

diez kilogramos por centímetro cuadrado (0.981 Mpa):

1 Lugeon = 1 (litro / min / m) a la presión de 10kg/cm2

Las pruebas de permeabilidad tipo Lugeon se realizan en perforaciones deavance descendente y en tramos de 5 m de longitud. Una vez alcanzada laprofundidad del tramo por probar, se hace un lavado cuidadoso del pozoempleando el varillaje de perforación. La longitud de 5 m es tentativa, ya

que puede variar por las condiciones que se encuentren al perforar, enespecial cuando se aprecia pérdida de agua de la perforación por la

presencia de fallas o fracturas importantes, donde conviene obtenerinformación con mayor detalle.


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El tramo por ensayar queda aislado por medio de un obturadorcolocado en la parte superior y el fondo de la perforación.


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UNIDADESLUGEON

TIPO DE MACIZO ROCOSO

0.0-3.0

Tramo no conductivo (Impermeable)

> 3.0-11.0

Tramo poco conductivo (poco permeable)

> 11.0-25.0

Tramo conductivo (permeable)

>25.0-40.0

Tramo muy conductivo (muy permeable)

>40.0

Tramo altamente conductivo (altamente permeable)

En la tabla se incluye una clasificación de los tipos

de macizos rocosos según su permeabilidad.

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