CRITERIOS UTILIZADOS PARA EL DISEÑO DE LA CORTINA DE IMPERMEABILIZACIÓN DEL PROYECTO HIDROELÉCTRICO PIRRÍS, COSTA RICA Carlos Chaves & Asdrúbal Vargas Centro de Servicio Exploración Subterránea, Área de perforación y servicios conexos, Instituto Costarricense de Electricidad E-mail: [email protected] / [email protected](Recibido 7/6/05; Aceptado 5/10/05) ABSTRACT: The grout curtain is one of the most important civil works at the Pirrís Hydropower Plant. The main objective of the grout curtain is to reduce seepage of the reservoir, conformed by a compacted concrete dam 113 m in height. For the design of the grout curtain, geological and hydrogeological studies were carried out, such as water pressure test and cement penetration test. Moreover, laboratory and field tests were made to evaluate the features of the appropriate mixture water/cement. The sealing treatment of the curtain requires the injection of a mixture of water and cement at a length of approximately one hundred meters within both margins. The final design of the grout curtain includes 42 000 m of holes, where 5 500 tons of cement will be injected. The injections are made directly in the river bed and in galleries located at both margins of the dam. The galleries are constructed in four levels, with a total length of 800 m. The cement injection is realized at different stages, begins in the lower stage of the foundation, located at the elevation 1105 m.a.s.l., finishing in the level 1210 m.a.s.l. The maximal injection pressure used is 20 kg/cm 2 , twice the maximum load of the water in the reservoir. It is strongly recommended an individual treatment of sectors with weak and geomechanically poor rock conditions or the fault zones. Keywords: Pirris dam site, grouting of sedimentary rocks, hydrogeology in power plants, water pressure test. RESUMEN: La cortina de inyección es una de las obras civiles de mayor importancia del Proyecto Hidroeléctrico Pirrís y tiene como propósito, garantizar la estanqueidad de las aguas embalsadas por la cons- trucción de una presa de concreto compactado con rodillo de 113 m de altura. Para la elaboración del diseño final de la cortina de inyección, fueron necesarios diversos estudios geológicos e hidrogeológicos, pruebas de agua a presión, pruebas de inyectabilidad, además de ensayos de laboratorio y de campo para valorar las carac- terísticas de las mezclas agua/cemento. El tratamiento de impermeabilización de la cortina se llevará a cabo con inyecciones de agua/cemento y abar- cará aproximadamente 100 metros dentro de ambos estribos. Serán necesarios cerca de 42 000 m de perfora- ción, por medio de los cuales se pretende inyectar al macizo rocoso unas 5 500 toneladas de cemento. Las per- foraciones se harán directamente en el cauce y desde galerías excavadas en los estribos, las cuales se disponen en cuatro niveles, sumando una longitud total de 800 m. La inyección iniciará en el nivel más bajo situado en la cota 1 105 m.s.n.m., finalizando a los 1 210 m.s.n.m. Revista Geológica de América Central, 32: 45-60, 2005 ISSN: 0256-7024
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CRITERIOS UTILIZADOS PARA EL DISEÑO DE LA CORTINA DEIMPERMEABILIZACIÓN DEL
PROYECTO HIDROELÉCTRICO PIRRÍS, COSTA RICA
Carlos Chaves & Asdrúbal Vargas
Centro de Servicio Exploración Subterránea, Área de perforación y servicios conexos, Instituto Costarricense de Electricidad
ABSTRACT: The grout curtain is one of the most important civil works at the Pirrís Hydropower Plant. Themain objective of the grout curtain is to reduce seepage of the reservoir, conformed by a compacted concretedam 113 m in height. For the design of the grout curtain, geological and hydrogeological studies were carriedout, such as water pressure test and cement penetration test. Moreover, laboratory and field tests were made toevaluate the features of the appropriate mixture water/cement.
The sealing treatment of the curtain requires the injection of a mixture of water and cement at a length ofapproximately one hundred meters within both margins. The final design of the grout curtain includes 42 000 mof holes, where 5 500 tons of cement will be injected.
The injections are made directly in the river bed and in galleries located at both margins of the dam. Thegalleries are constructed in four levels, with a total length of 800 m. The cement injection is realized at differentstages, begins in the lower stage of the foundation, located at the elevation 1105 m.a.s.l., finishing in the level1210 m.a.s.l. The maximal injection pressure used is 20 kg/cm2, twice the maximum load of the water in thereservoir. It is strongly recommended an individual treatment of sectors with weak and geomechanically poorrock conditions or the fault zones.Keywords: Pirris dam site, grouting of sedimentary rocks, hydrogeology in power plants, water pressure test.
RESUMEN: La cortina de inyección es una de las obras civiles de mayor importancia del ProyectoHidroeléctrico Pirrís y tiene como propósito, garantizar la estanqueidad de las aguas embalsadas por la cons-trucción de una presa de concreto compactado con rodillo de 113 m de altura. Para la elaboración del diseñofinal de la cortina de inyección, fueron necesarios diversos estudios geológicos e hidrogeológicos, pruebas deagua a presión, pruebas de inyectabilidad, además de ensayos de laboratorio y de campo para valorar las carac-terísticas de las mezclas agua/cemento. El tratamiento de impermeabilización de la cortina se llevará a cabo con inyecciones de agua/cemento y abar-cará aproximadamente 100 metros dentro de ambos estribos. Serán necesarios cerca de 42 000 m de perfora-ción, por medio de los cuales se pretende inyectar al macizo rocoso unas 5 500 toneladas de cemento. Las per-foraciones se harán directamente en el cauce y desde galerías excavadas en los estribos, las cuales se disponenen cuatro niveles, sumando una longitud total de 800 m. La inyección iniciará en el nivel más bajo situado enla cota 1 105 m.s.n.m., finalizando a los 1 210 m.s.n.m.
Revista Geológica de América Central, 32: 45-60, 2005ISSN: 0256-7024
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INTRODUCCIÓN
El Proyecto Hidroeléctrico Pirrís es propie-dad del Instituto Costarricense de Electricidad(ICE) y se encuentra en su fase constructiva.Está localizado en la zona de Los Santos y pre-tende aprovechar las aguas del río Pirrís, pormedio de la construcción de una presa de grave-dad construida en concreto compactado con rodi-llo (RCC, por sus siglas en inglés). Tendrá 113 m
de altura y creará un embalse con un volumenútil de 30 Hm3, que generará una potencia máxi-ma de 128 MW, como resultado de una caídabruta de 874 m. El sitio de construcción de la cor-tina de inyección está estrechamente relacionadocon el sitio de presa, el cual se encuentra locali-zado en las coordenadas 399250 de latitud Nortey 451800 de longitud Oeste de la hoja topográfi-ca Dota, editada por el Instituto GeográficoNacional a escala 1:50 000 (Fig. 1).
La presión de inyección que se utilizará será de 20 kg/cm2, casi el doble de la carga máxima del embalse y serecomienda tratar de forma independiente los sectores de roca geomecánicamente de baja resistencia y las zonasde falla que son de fácil inyección.Palabras clave: Proyecto hidroeléctrico Pirris, cortina de inyección, hidrogeología en proyectos hidroeléctri-cos, prueba de permeabilidad.
Fig. 1: Mapa de ubicación del área de estudio.
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En el presente artículo se describe el diseñode la cortina de inyección más adecuado para lapresa del P.H. Pirrís, tomando en cuenta lascaracterísticas geológicas e hidrogeológicas delmacizo rocoso que servirá de fundación para lapresa. Además, se pretende ilustrar el proceso dediseño de la cortina en cada una de sus etapas.
Para llegar a definir el diseño de la cortina deinyección se realizaron en primera instanciainvestigaciones geológicas e hidrogeológicas pormedio de perforaciones y cartografiado de campoen el sitio de presa. Seguidamente se realizarondos cortinas de prueba, utilizando las galerías deinvestigación ubicadas en ambas márgenes delsitio de presa. Estos ensayos permitieron selec-cionar el diseño de lechada agua/cemento másapropiado. Después del análisis de los resultadosobtenidos se propuso el diseño final de la cortinade inyección, incluyendo la geometría de la cor-tina en los estribos y bajo el nivel del cauce delrío, además del cálculo de metros de perforacióny el consumo de cemento, entre otros aspectos.
Este trabajo surge como una necesidad denormalizar el diseño de una cortina de inyección.Las características geológicas del sitio de presafueron investigadas por Rodríguez (1997) y com-plementadas por Avila (1999), quien investigóvarias anomalías con métodos geofísicos. Porotra parte, la evaluación de la estanqueidad delembalse y la amenaza por deslizamientos fueevaluada por Barrantes (2000). Más reciente-mente, se hizo una revisión de la geología, hidro-geología y los aspectos estructurales.
MARCO GEOLÓGICO
La presa será fundada sobre un macizo cons-tituido por rocas sedimentarias de origen marino,correlacionables con la Formación Térraba deedad Oligoceno-Mioceno. Se trata de una secuen-cia estratificada de lutitas y areniscas, con inter-calaciones de areniscas brechosas, de color grisclaro a gris oscuro, con mucho aporte volcanogé-nico y cemento carbonatado. Los estratos tienenespesores centimétricos a métricos y presentanvariadas estructuras sedimentarias y algunasestructuras biogénicas. Cuando se meteorizan,
desarrollan abundantes óxidos de hierro y unadestacada alteración esferoidal.
Dentro de la secuencia están intercaladastambién estratos con diferentes grados de silicifi-cación. Este tipo de alteración fue producto de lacirculación de fluidos hidrotermales ricos en síli-ce, a través de estratos que originalmente debie-ron de haber sido más porosos y permeables. Laalteración provocó el reemplazamiento delcemento carbonatado por silíceo, transfiriéndolea la roca una mayor dureza y un cambio de colo-ración bastante notorio (color gris claro). Losniveles más intensamente silicificados poseenespesores métricos y corresponden con las gra-nulometrías más gruesas.
El buzamiento general varía entre 15º y 20ºen dirección al noroeste (azimut 290º), es decirhacia aguas abajo del eje de presa. Esta disposi-ción estructural de los estratos, determina laconfiguración geomorfológica del valle, carac-terizado por un perfil asimétrico con pendientesrelativamente suaves en la margen izquierda(buzamiento) y muy abrutas en la margen dere-cha (Fig. 2).
Las pendientes fuertes de la margen derecha,han favorecido la formación de amplios aflora-mientos, donde se observa un marcado fractura-miento de alto ángulo, que se desarrolla mejor enciertos paquetes de estratos. De manera general,el macizo está afectado por cuatro familias defracturas y al menos dos fallas principales, ade-más de varias zonas de fracturamiento, conorientaciones preferenciales Norte-Sur (tenden-cia paralela al eje de presa).
Por otra parte, el proceso natural de evolu-ción de las laderas y la acción dinámica del río,han dado como resultado la formación de depósi-tos de coluvio y aluviones, que representan losúltimos eventos geológicos del Sitio de Presa.Estos depósitos están compuestos por materialesinconsolidados y de granulometría variada, deri-vados casi en su totalidad de la meteorización ydesintegración de las rocas sedimentarias subya-centes. Los coluvios son los depósitos dominantesy se encuentran mejor desarrollados en la margenizquierda, como resultados de la inclinación favo-rable del buzamiento. Mantienen una condiciónde estabilidad precaria y podrían experimentar
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fenómenos de deslizamiento en caso de ser alte-rados por factores antrópicos (excavaciones, malmanejo de aguas de escorrentía superficial, entreotros). Para efectos de la fundación de la presadeben de ser removidos, al igual que los depósi-tos de aluvión.
CONDICIONES HIDROGEOLÓGICAS
La información obtenida en las diferentescampañas de perforación, confirman la existenciade dos acuíferos de características y génesis dis-tintas. Uno de ellos está sometido a la gravedad
y muestra influencia regional y el otro es deextensión local y presenta artesianismo surgenteen algunas perforaciones.
En ambos casos, las propiedades intrínsecasde la roca sedimentaria, constituida por unamatriz impermeable, no favorecen el paso delagua. Esto ocurre principalmente a través defisuras asociadas con fallas y zonas de intensofracturamiento, desarrolladas a partir de la defor-mación frágil de la roca, producto de los esfuer-zos tectónicos que han afectado la región. Enmenor grado de importancia, se ha observadoque la formación de delgadas fallas estratigráfi-cas subordinadas a las fallas de rumbo, permiten
Fig. 2: Perfil geológico esquemático mostrando perforaciones, nivel freático y límite de permeabilidad.
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la comunicación hidráulica con las fracturas tec-tónicas y en algunos casos constituyen sellos.
En el caso del acuífero libre, los niveles deagua medidos en los pozos perforados sobre cadamargen del Sitio de Presa, indican que la superfi-cie freática se encuentra por encima del nivel delrío, provocando que el flujo de agua subterráneadrene hacia el cauce (acuífero efluente), con gra-dientes hidráulicos muy bajos, del orden de 0,11(≈ 6º) en la margen izquierda y 0,23 (≈ 13º) enla derecha.
Gradientes hidráulicos bajos, son representa-tivos de un macizo permeable. No obstante, laprevalencia de valores de permeabilidad bajos enlas pruebas de agua sugieren una condición con-traria, determinada posiblemente por factoresmorfológicos, topográficos, climáticos y antropo-génicos, típicos del sitio de presa y zonas aleda-ñas. En particular, la existencia de filas alargadasy de divisorias estrechas, delimitadas por laderasde fuerte pendiente, aunado a la deforestación y laexistencia de horizontes de suelo arcilloso, podríaestar propiciando más la escorrentía superficial yflujo hipodérmico, que la percolación profunda yconsecuente recarga del acuífero. Prueba de estehecho, se refleja en la escasa variación del nivelfreático en los diversos puntos de observación,entre una estación y otra (seca y lluviosa).
La existencia del acuífero artesiano, sedetectó por primera vez en la margen izquierdamediante la perforación PHP 52 SP, confirmán-dose posteriormente en nueve perforaciones más.La manifestación del artesianismo se correlacio-nó con la presencia de una capa de roca de 13 a15 m de espesor, intercalada en la secuencia sedi-mentaria y con propiedades muy particulares.Esta se localiza a unos 85 m de profundidad, bajoel eje de presa y sobresale por su coloraciónclara, a diferencia del color oscuro de las rocascarbonáticas. Se caracteriza por una silicificaciónintensa, con desarrollo de minerales sulfurosos(pirita), algunos silicatos (clorita y epidota) yarcillas. Este acuífero confinado se encuentraseparado del acuífero libre por la misma secuen-cia sedimentaria, pero de menor conductividadhidráulica lo que provoca el confinamiento.Además, la porosidad que presenta es de tiposecundaria por fracturamiento.
TRATAMIENTO DEIMPERMEABILIZACIÓN
En el informe Geológico-Geotécnico deFactibilidad del Sitio de Presa Nº2 publicado porla Dirección de Ingeniería Civil (DIC, 1997), seabarcó el tema de las obras de impermeabiliza-ción, enfocado a la necesidad de construir unacortina de inyección para asegurar la estanquei-dad del embalse y solucionar también problemasde filtración a través de la fundación de la presa(pérdida de agua y tubificación). Esta cortinadebería homogenizar la permeabilidad del maci-zo rocoso a un valor de 5 unidades Lugeon (5U.L.). Para llegar a establecer la intensidad ymagnitud del tratamiento, fue necesario investi-gar por varios años las características geoestruc-turales, geotécnicas, hidrogeológicas, hidrogeo-químicas y geofísicas del sitio de presa.Asimismo, se realizaron dos cortinas de pruebaen cada margen para valorar la inyectabilidad delmacizo y diversos ensayos de laboratorio y decampo dirigidos al estudio de diferentes mezclasde lechada considerando además aditivos.
CORTINAS DE PRUEBA
Se realizaron dos pruebas de inyectabilidadde la roca sobre el eje de presa, aprovechando lasgalerías excavadas para investigaciones geológi-co-geotécnicas. El diseño y los procedimientos autilizar se establecieron con base en la experien-cia, aplicando el método de inyección denomina-do “GIN” Lombardi & Deere (1993).
Macizo rocoso ensayado
El macizo rocoso ensayado está constituidopor rocas sedimentarias afectadas por variasfamilias de discontinuidades (fracturas y planosde estratificación) y de fallas. Considerando losresultados de las pruebas de agua a presión sedeterminó que la matriz de la roca se consideraimpermeable, por lo que el flujo del agua ocurrea través de las fisuras, siguiendo el principio devasos comunicantes. En vista del control fisural,
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fue necesario determinar los patrones de dis-continuidades de manera previa a los ensayos, afin de orientar adecuadamente las perforacionesde prueba, en procura de interceptar la mayorcantidad de fisuras. El cuadro 1, presenta lastendencias estadísticas de las familias encontra-das en cada margen.
profundidad, dejando los 5 m iniciales comocobertura de protección.
Determinación de la permeabilidad y método de inyección
La permeabilidad se determinó por medio delas pruebas de agua a presión tipo Lugeon (“waterpressure tests”) e interpretadas según los principiosde Houlsby (1990). Para la inyección se utilizó elmétodo “GIN” (“Grouting Intensity Number”, pro-puesto y descrito por Lombardi, G. & Deere,D.,1993), que consiste en el uso de una lechadaestable con una única relación agua/cemento paratodo el proceso, inyectada gradualmente hastaalcanzar una presión máxima o volumen máximo, obien, un valor intermedio, definido por la represen-tación gráfica de la intensidad seleccionada.
En las pruebas se utilizaron las envolventeslimitantes de 500 bar*l/m (Pmax.=15 bares yVolmax.=100 l/m) para el tramo inicial de 5 a 10 my de 1000 bar*l/m (Pmax.=20 bares y Volmax.=150l/m), para los tramos restantes. La permeabilidadresidual a obtener, se estableció en 5 unidadesLugeon considerando que con esta permeabilidadse reducen las filtraciones a niveles bajos.
Diseño de lechada agua-cemento
Con base en ensayos de campo, se seleccionópara la margen derecha una relación deagua/cemento (A/C) = 0,67:1. Se utilizó cementoportland IP ECOLCEM 246, fabricado porIndustria Nacional de Cemento (INCSA), con finu-ra Blaine de 4200 cm2/gr y sin uso de aditivos flui-dificantes. La lechada obtenida se caracterizó porviscosidades de cono entre 29 y 31 segundos, sedi-mentaciones entre 5 y 6 %, peso específico de 1,42-1,50 gr/cm3 y una cohesión relativa de 0,17mm.
En la margen izquierda se aceptó una rela-ción (A/C) = 0,67:1, con adición de fluidificanteCRF-2 al 0,2% por peso de cemento. De estamanera, se obtuvo en la mezcla resultante unaviscosidad de 37 segundos, sedimentación del5%, densidad de 1,6 gr/cm3 y una cohesión rela-tiva de 0,04 mm.
Cuadro 1
Familias de discontinuidades del sitio de presa (P.H. Pirrís)
En la margen derecha, la cortina se ejecutóen la Galería No. 2 (entre setiembre y diciembrede 1998), a una elevación de 1155 m.s.n.m. y a55 m sobre el lecho del río, mientras la de mar-gen izquierda se realizó en la Galería No. 4(entre enero y diciembre de 1999), situada en lacota de 1120 m.s.n.m. y a 20 m por encima delcauce (Fig. 2).
Sobre la margen derecha, las perforacionesde inyección se orientaron con un azimut de 135°,inclinadas 53° respecto a la horizontal y con lon-gitudes de 40 m. Las primarias se ubicaron cada6 metros, con cierre progresivo de secundarias yterciarias a distancias intermedias. En la margenizquierda, el plano de cortina se configuró conperforaciones direccionadas a 130°, 45° de incli-nación y 45 m de longitud, con distancias entreprimarias de 5 m, colocando las secundarias yterciarias siguiendo el mismo principio que enmargen derecha. Los ensayos de inyección seprogramaron en tramos descendentes de 5 m de
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Resultados
Los resultados obtenidos en cada una de laspruebas son muy diferentes. En la margen dere-cha, todos los ensayos se realizaron sobre el nivelfreático y no fue necesario prolongarlos hasta unafase terciaria, debido a permeabilidades suma-mente bajas (Cuadro 2), excepto en la perfora-ción secundaria PS5 donde los valores varían de4 a 16 U.L. En la margen derecha las aceptacio-nes de cemento fueron variables. En la perfora-ción primaria 1, la aceptación varió de 9 a 19 l/m,con valores más frecuentes sobre los 10 l/m(Cuadro 3).
En contraste, la mayor parte de los ensayossobre la margen izquierda se llevaron a cabopor debajo del nivel freático, registrándosedurante las fases primaria y secundaria, perme-abilidades en extremo elevadas (36% de losensayos >50 UL, Cuadro 4), coincidentes convolúmenes altos de aceptación (máximo 307l/m). A pesar de esta situación, no se corroboróuna eficiente difusión horizontal de la lechada.Las pruebas de agua en la fase terciaria se ensa-yaron en 39 tramos, algunos de los cualesmuestran una reducción significativa de la per-meabilidad, no obstante, dentro de aquellossectores catalogados como más permeables en
Cuadro 2
Resultados de pruebas de permeabilidad en perforaciones de la galería 2 (margen derecha)
las fases anteriores, los valores elevados persis-ten (18% de los ensayos >50UL, Cuadro 4).
Con el avance de las fases de inyección senotó que los tramos inyectados registraron acep-taciones de lechada relativamente bajas (Cuadro5). De acuerdo con las observaciones, los valoresde permeabilidad y aceptación elevados, estánnormalmente relacionados con zonas de bajacalidad física de la roca, caracterizadas por unfracturamiento intenso y evidencias de falla.
Interpretaciones y utilidad práctica de los resultados
Al relacionar la calidad física de los núcleosrecuperados con los resultados de los ensayos, seconstató una buena correspondencia entre las
zonas fracturadas y valores elevados de permea-bilidad y aceptación. Por otra parte, los tramosafectados por fracturas aisladas (asociables conlas familias J1, J3 y J4), son, por lo general,cerradas, con superficies rugosas onduladas yrugosas escalonadas, con escaso desarrollo depátinas de hierro y en muy contadas ocasionescon decoloración de las paredes y se caracteriza-ron por reducidas permeabilidades y aceptacio-nes. Un porcentaje alto (entre 20 y 30%) muestrarellenos de calcita. Estas características permitencategorizar la roca en diferentes grados de sani-dad, según se presenta en el cuadro 6.
Según el análisis realizado, la cortina de prue-ba de la margen derecha se realizó en un sector delmacizo rocoso sedimentario, de regular a excelen-te calidad física (roca muy sana a sana), poco afec-tado por zonas de fracturas y en consecuencia con
Cuadro 5
Resultados de aceptación (l/m) de lechada en perforaciones Galería No. 4 de margen izquierda
PP= perforación primaria, PS= perforación secundaria, PT= perforación terciaria, n.i.= tramo no inyectado. Tomado de Chaves & Zumbado, 2000.
Cuadro 6
Relación entre la calidad física de la roca y la permeabilidad
Categoría % Recuperación % RQD No. Frac. Tipo K (U.L) AC (l/m)
Muy sana >90 (ex.) >75 (b-exc) 0-3 1 0-6 0-15Sana >85 (b-exc) 40-75 (reg.-b) 3-10 1, 2 1-25 10-50± Sana 70-90 (reg-b) 0-40 (mp-p) 5-15 1, 2 10-50 25-75Zona de Falla 0-80 (b-reg) 0-20 (mp) >15 1,2, 3 >30 >50
No. Frac.= Número de fracturas por metro lineal, K= permeabilidad, AC= aceptación, exc= excelente, b= buena; reg= regular,mp= muy pobre; p= pobre.1- Fracturas cerradas (<0,5 mm), rugosas, con pátinas de óxidos de hierro.2-Fracturas ligeramente abiertas (0,5 a 1 mm), con óxidos de hierro y manganeso.3-Fracturas abiertas (<10 mm), con mucho óxidos de hierro y manganeso, a veces con meteorización avanzada.Tomado de Chaves & Zumbado, 1999.
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un bajo grado de permeabilidad. En contraste, lacortina de margen izquierda se llevó a cabo enrocas sedimentarias de condición física variable(incluye las 4 categorías), en donde predominanlas zonas de fracturación, con recuperación baja,RQD muy pobre y por lo general con altas per-meabilidades.
De acuerdo con las interpretaciones delmodelo geológico (Rodríguez, 1997), el plano decortina de margen izquierda intercepta, entre los5 y 35m de profundidad, una zona fracturada yfallada de alto ángulo, conformada por una seriede ramificaciones orientadas al NNE y que seasocian con la Falla DS-2.
A lo largo de las 3 fases llevadas a cabo en laprueba de margen izquierda, estas estructuras hanmostrado una alta permeabilidad en comparacióncon la roca muy sana a sana. Dicha permeabili-dad no es homogénea a lo largo de las estructurasy se caracteriza por una preferencia básicamentevertical, evidenciada por el sentido de difusión dela lechada inyectada. Además, se determinó unatendencia de aumento de la permeabilidad natu-ral, provocada por el lavado de rellenos limo-arcillosos y limo-arenosos, durante las pruebas deagua de la fase primaria y secundaria.
Por otra parte, la ocurrencia de fracturas para-lelas a la estratificación no es común (familia J2),debido a una fuerte unión entre los estratos. Noobstante, en la fase terciaria se encontraron, demanera muy localizada, algunas fracturas estrati-gráficas rellenas de lechada, que aparentementeson de poca extensión y fácilmente inyectables.
Se concluye que las categorías de roca sanay muy sana, se pueden considerar como imper-meables para efectos prácticos y no son inyecta-bles. Por consiguiente, la impermeabilización delSitio de Presa debe estar dirigida al tratamientode los sectores afectados por un mayor grado defracturación y zonas de falla.
DISEÑO FINAL DE LA CORTINA DEINYECCIÓN
Consideraciones preliminares
Durante su visita en 1999, el consultor inter-nacional Dr. Andrew Merritt avaló la ejecución
de una cortina de inyección, que podría ser hechamediante perforaciones inclinadas hacia aguasarriba, desde diferentes niveles de galerías.Asimismo, recomendó que el tratamiento fuerasistemático en ambas márgenes y en caso de sernecesario, complementado con perforaciones dis-puestas en abanico, hacia la parte final de las gale-rías. Los objetivos de dicha cortina serían reducirla permeabilidad y consolidar el macizo rocosoevitando procesos de erosión o tubificación.
Una vez establecida la necesidad de una cor-tina y los parámetros requeridos, se procedió alanálisis de diferentes posibilidades para el diseñogeométrico. Se tomaron en cuenta, entre otrosaspectos: la topografía, el bajo gradiente hidráuli-co, la profundidad del acuífero artesiano y laslimitaciones de los equipos de perforación einyección. Inicialmente, se planteó excavar 4galerías en la margen derecha y 5 en la margenizquierda, orientadas hacia aguas arriba. Bajo elnivel de fundación de la presa, se propuso prolon-gar la cortina hasta el techo del acuífero artesiano,requiriéndose para este fin la excavación de unpozo y una galería situada a 27,50 m de profundi-dad. No obstante, se recomendó estudiar conmayor criterio la profundidad de este cierre.
En el año 2001, el diseño se modificó porrecomendación de la consultoría colombianaINTEGRAL, reduciendo de 5 a 4 galerías en lamargen izquierda, a fin de lograr coincidencia deelevación con respecto a 2 galerías de enfria-miento, dispuestas dentro del cuerpo de la presa.
Hacia finales del 2001 e inicios del 2002, seexcavaron las dos primeras, localizadas una encada margen a la elevación de 1105 m.s.n.m. (5m sobre el cauce del río). Conjuntamente, se pro-cedió a la ejecución de varias perforaciones, quetuvieron como propósito principal interceptar elacuífero artesiano y determinar la profundidadadecuada para el cierre de fondo de la cortina.Algunas de estas perforaciones formarán parte dela instrumentación de la presa.
Criterio de cierre de la cortina en los estribos
Ewert, (1985) recomienda que una cortinade inyección debe extenderse lateralmente, hasta
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que el nivel máximo del embalse intercepte lasuperficie freática. Sin embargo, dicho criteriono es aplicable en este caso, debido a los bajosgradientes hidráulicos encontrados en ambasmárgenes, que obligarían a la construcción deuna cortina excesivamente extensa y económica-mente no viable.
En vista de esta situación se optó por pro-longar la cortina lateralmente una longitud equi-valente a la altura máxima de la carga de agua.Por consiguiente, el largo de las galerías deinyección sería de al menos 100 m, longitud sufi-ciente para que los niveles inferiores alcancenuna frontera virtual, por debajo de la cual la per-meabilidad se reduce significativamente. Estelímite se estableció con base en los resultados delas pruebas de agua hechas en las diferentes per-foraciones de investigación del sitio de presa.
Con la aplicación de esta medida, tambiénserá posible garantizar una adecuada impermeabi-lización de las principales estructuras geológicasque afectan el sitio de presa y que podrían permi-tir la comunicación hidráulica entre el embalse yel sector aguas abajo de la presa. De igual mane-ra, se forzaría al flujo de agua que se infiltre desdeel embalse, a realizar un recorrido mayor dentrodel macizo para lograr bordear el plano de cortina,con lo que se aumentan las pérdidas de carga, conuna consecuente reducción de la filtración.
Para obtener un buen control del proceso deperforación e inyectado, el Dr. Merritt recomen-dó una separación vertical de 30m entre galerías.De acuerdo con este parámetro y considerandolas diferencias en la permeabilidad de ambasmárgenes, que resultaron de las cortinas de prue-ba, se dispuso en un inicio una separación de36,67 m entre las galerías de la margen derecha yde 27,50 m en la margen izquierda. Sin embar-go, luego de la consultoría de INTEGRAL, lasseparaciones en ambas márgenes se igualaron a35 m, mediante la eliminación de una galería enla margen izquierda.
Según el diseño final, en cada uno de losestribos se excavarán 4 galerías, situadas a laselevaciones: 1105, 1140, 1175 y 1210 m.s.n.m.(Fig. 3). Estas se han dispuesto, de tal forma quelas perforaciones de inyección de un mismonivel, finalicen contra el techo del nivel inferior,haciendo posible la continuidad vertical de lacortina. En general, las perforaciones manten-drán una dirección sistemática de 130º, varian-do su inclinación de 53º en margen derecha a45º en margen izquierda (excepto el primernivel que tendrá una inclinación general de 53º).Estos parámetros, más la geometría de la presa,determinan azimutes de 033º para las galeríasde margen derecha y de 167º en margen izquier-da (Fig. 4).
Fig. 3: Perfil de la cortina de inyección en el sitio de presa.
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Criterio de cierre de la cortina debajo de la fundación
Los núcleos recuperados en 3 perforaciones,evidenciaron la existencia de una zona de rocameteorizada y fracturada de unos 30 m de espe-sor, situada inmediatamente bajo el lecho del ríoy que coincide con valores de permeabilidad ele-vados según las pruebas Lugeon. En gran parte,este comportamiento se debe a la descompresiónde la roca y a la erosión de los rellenos en lasfracturas por efectos del río, que promueven unaumento de la permeabilidad, con valores repre-sentativos mayores a 50 UL. A profundidadesmayores, la roca se caracteriza por una mejorcalidad física y permeabilidades bajas a muybajas, hasta alcanzar el acuífero artesiano.
A pesar de esta condición aparentementefavorable, se acordó considerar la prolongacióndel tratamiento hasta el techo del acuífero arte-siano (profundidad promedio de 85 m), hastatanto no se cuente con más información de res-paldo. Con este fin, se retomó el estudio y mode-lado del acuífero confinado, teniendo como obje-tivo determinar la ubicación y espesor de la capasello, que vendría a proporcionar el criterio decierre de fondo de la cortina.
En los años 2000 y 2001, se hizo una revi-sión de la información suministrada por las
perforaciones artesianas, acompañada de medi-ciones periódicas de las presiones manométricas,muestreos hidrogeoquímicos, cartografiado geo-lógico de la zona de recarga y pruebas con traza-dor colorante. Esta labor dio como resultado, elrefinamiento del modelo del acuífero artesiano yel establecimiento de una zona de 40 a 50 m deespesor, constituida por rocas sedimentarias debuena calidad física que conforman por sí mis-mas el sello confinante.
Entre el 2001 y el 2002, se excavaron las dosprimeras galerías de inyección, ubicadas en laelevación 1105 m.s.n.m. Las condiciones geotéc-nicas, geofísicas e hidrogeológicas encontradasen estas galerías, se ajustan bien al modelo geo-lógico-geotécnico y ofrecen un panorama bastan-te optimista en relación con la magnitud e inten-sidad del tratamiento.
El conocimiento actual del sitio de presa,proporciona evidencias suficientes que confir-man la existencia de una zona de considerableespesor, con permeabilidades suficientementebajas como para garantizar el confinamiento delacuífero artesiano (capa silícea). Esta zona selocaliza entre 30 y 40 m de profundidad bajo elcauce del río (1100 m.s.n.m.) y vendría a consti-tuir la frontera impermeable contra la cual finali-zaría la parte inferior de la cortina de inyección.De acuerdo con la propuesta de perforar a 53º de
Fig. 4: Planta de la cortina de inyección en el sitio de presa.
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inclinación, las perforaciones de inyección deberí-an profundizar por debajo del cauce al menos 50m, con el fin de alcanzar y lograr penetrar lo sufi-ciente en la zona impermeable. Por lo tanto se des-hecho el criterio de perforar hasta una profundi-dad de 85 m en el techo del acuífero artesiano.
Metodología de inyección
En las cortinas de prueba se identificaronsectores muy fracturados (zonas fracturadas yfallas) que aceptan grandes volúmenes de lecha-da, sin llegar a saturarse adecuadamente y, porotra parte, sectores bastante sanos en los que pre-dominan las fracturas finas y de superficies rugo-sas, que muestran fuerte resistencia a la penetra-ción de una lechada estable.
De acuerdo con Lombardi (1996), en corti-nas de inyección es usual seleccionar una presiónequivalente a dos o tres veces la presión de lacarga de agua esperada sobre el lugar a tratar. Enel caso de P.H Pirrís, se ha demostrado que elempleo de una presión de inyección de 20kg/cm2 (20 bares), casi el doble de la carga máxi-ma del embalse, no ocasiona efectos indeseablessobre el medio rocoso, por lo tanto puede utili-zarse como base para el tratamiento.
Tomando en cuenta que el sitio de presa noes igualmente inyectable en toda su extensión, serecomienda tratar por separado los sectores deroca buena (pobremente inyectables) y las zonasde falla (inyectables con altas aceptaciones). Enconsecuencia, la aplicación del método “GIN”,según su definición, no cumpliría con este obje-tivo, puesto que una lechada estable con relaciónagua/cemento de 0,67, inyectada a una presiónde 20 kg/cm2, no penetraría eficientemente en lasfisuras más finas (< 0,4 mm) y por otra parte, unvolumen máximo de 150 l/m no sería suficientepara sellar las zonas de muy alta aceptación,como quedó demostrado en las cortinas de prue-ba. Por otra parte, la aplicación estricta de dichométodo requiere de un equipo computarizado,que proporcione registros continuos de la pre-sión, la velocidad de flujo, el volumen inyectadoy la penetrabilidad contra el tiempo, cuya com-pra representaría una erogación importante para
el ICE y del que no habría certidumbre sobre subuen funcionamiento y vida útil en condicionesde alta humedad.
En vista de lo anterior y con el propósito deobtener buenos resultados, deberá ser necesarioimplementar una variante combinada entre el“GIN” (intensidades de 500 y 1000 bar*l/m) y elmétodo tradicional de inyección que considera lapresión de rechazo de la inyección. Esta varianteconsistirá en el empleo de lechadas con diferen-tes relaciones agua/cemento, adecuadas a losdiferentes sectores e inyectadas bajo parámetros(presión-volumen) regulados por el principio delmétodo “GIN”. Por ejemplo, los sectores sanoscon fracturas finas se inyectarán con una lechadasuficientemente fluida, hasta alcanzar la presiónmáxima de la intensidad “GIN” seleccionada. Enlos sectores de alta aceptación, se inyectaránlechadas progresivamente más viscosas, efec-tuando los cambios según volúmenes determina-dos, hasta alcanzar una presión de rechazo o pre-sión máxima establecida por el “GIN”.
La inyección se hará en tramos descendentesde 5 m de longitud. En el caso de las perforacio-nes primarias, se efectuará antes de la inyecciónla respectiva prueba de agua (WPT), mediante lacual se tomará la decisión de inyectar o no eltramo. Además, en aquellos tramos que requieraninyección y estén ubicados sobre la superficie delnivel freático, será necesario inyectar previamen-te agua para saturar parcialmente la roca y redu-cir el riesgo de pérdida del agua de la lechada,que provocaría un bloqueo prematuro.
Características físicas y reológicas de la lechada agua-cemento
Según los resultados de las cortinas de prue-ba, se consideró pertinente dedicar esfuerzos enla determinación de un procedimiento que nor-malice la preparación de las lechadas durante eltratamiento. Asimismo es importante establecercomposiciones de mezclas que garanticen estabi-lidad y fluidez, ante las diferentes condicionesgeológicas del medio.
Con este propósito, se realizaron en el mesde marzo del 2000, diversos ensayos en el
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Laboratorio de Materiales del P.H. Angostura,cuyos resultados indican que ninguna de las sus-pensiones analizadas, será efectiva en el tratamien-to de la roca sana (representada por la prueba demargen derecha). Por su parte, las zonas permea-bles (representadas por la prueba de margen izquier-da) podrían tratarse con una suspensión A/C=0,67,con cemento Ecolcem y 0,4% de CFR-2.
Entre el 2001 y 2002 se llevaron a cabo otraserie de ensayos de laboratorio y de campo, uti-lizando una gran variedad de cementos y aditi-vos ofrecidos por el mercado nacional. Los ensa-yos tuvieron como objetivo valorar los diferentesproductos y combinaciones, en procura de selec-cionar los más apropiados desde el punto devista técnico y económico. Se partió de la nece-sidad de definir un tipo de cemento para el trata-miento de los sectores con mayor permeabilidady otro con finura alta, cercana a los 5000 cm2/g,para los sectores de roca sana afectada por fisu-ras finas. Respecto a los aditivos, su uso pre-tende reducir la viscosidad y cohesión de lalechada, para mejorar su trabajabilidad duranteel tratamiento y favorecer una buena penetraciónen las fisuras finas.
Cálculo de metrajes y estimación del consumo de cemento
De conformidad con los criterios descritosanteriormente, se procedió al cálculo de metrajesde excavación y perforación (Cuadro 7). Parainyectar adecuadamente el sitio de presa seránecesario excavar en cada margen 4 galerías,todas de 100 m de longitud. Para la inyección setomó en cuenta la realización de un tratamientosistemático, complementado por tratamientoslocalizados, especialmente en aquellos sectoresafectados por una densa fracturación. Ambostratamientos serán llevados hasta una etapa ter-ciaria, partiendo de perforaciones primariasseparadas 5 m.
Según la geometría descrita antes, el tra-tamiento sistemático demandará 975 perfora-ciones y más de 41 000 metros de perforación(Cuadro 7). Por su parte, se estima que eltratamiento localizado requerirá de 189 per-foraciones y más de 8 000 metros de perfora-ción. También se harán al menos 45 perfora-ciones de verificación, para un total de 2 025metros.
Cuadro 7
Resumen de metrajes de perforación de cortina de inyección. Cortina simétrica
Tratamiento Sistemático Tratamiento Localizado P.V. Totales
L= Longitud (m), PP= perforación primaria, PS= perforación secundaria, PT= perforación terciaria, M= metraje, P.V.= perfora-ciones de verificación, C= cantidad de perforaciones, M= metros de perforación, CA= perforaciones en el cauce del río Pirrís.Nota: La dirección de perforación es de 130° y la inclinación varía entre 45° y 53°. La longitud de la galería es de 100 m.
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El cálculo del cemento se basó en los consu-mos promedio registrados en la cortina de prue-ba de margen izquierda, a fin de obtener resulta-dos dentro de un ámbito conservador. Bajo estapremisa, se estableció para ambos tratamientos(sistemático y localizado) un consumo promediode 4 sacos por metro en primarias, 3 sacos/m ensecundarias y 2 sacos/m en terciarias. En total seestima un consumo de casi 110 000 sacos decemento, equivalentes a unas 5 500 toneladas(Cuadro 8). De estos totales, es probable que el75% corresponda a cemento corriente Tipo I(MP) y el restante 25% a cemento fino.
Costos del tratamiento
Se estima que en promedio el 50% del maci-zo puede mostrar condiciones físicas similares alas encontradas en la prueba de margen izquier-da. Esta sería la condición más crítica a encon-trar, por consiguiente se tomó como marco dereferencia para el cálculo de materiales y costosdel tratamiento en general. En la práctica podríaocurrir que los requerimientos de cemento y per-foración fueran menores, incidiendo favorable-mente en una reducción de costos de la cortina.Con base en la magnitud del tratamiento descri-to arriba y la necesidad de revestir las galeríaspara su funcionabilidad durante la vida útil delproyecto, se estima que el costo total de la corti-na podría ascender preliminarmente a unos ochomillones de dólares estadounidenses.
Acceso a las galerías de inyección
Debido a la presencia de rellenos no inyecta-bles y potencialmente erosionables, Merritt(1999) recomienda que las galerías de inyecciónsean revestidas y que permanezcan accesiblesdurante toda la vida útil del proyecto. De estamanera se garantizará un adecuado auscultamien-to y de ser necesario, la realización de eventualeslabores de reinyección.
Monitoreo del acuífero artesiano
Se considera que la presión que pueda ejer-cer el acuífero, antes y después del llenado delembalse, no tendrá influencia significativa sobrela estabilidad de la presa, por cuanto la mismaserá contrarrestada por la buena condición de laroca, la cual tiene una cobertura vertical prome-dio de 85 m entre el nivel de fundación y el techodel acuífero. Sin embargo, se dispuso la cons-trucción de dispositivos de auscultación (piezó-metros) en las dos galerías de inyección excava-das y en otros sectores del sitio de presa, los cua-les permitirán el monitoreo periódico del com-portamiento del acuífero (presión y caudal),antes, durante y después del llenado. En este sen-tido, se espera que una vez construida la presa ylleno el embalse, el mismo proceso natural decolmatación de sedimentos, producto del nuevonivel base artificial del río, impermeabilice con elpaso del tiempo la zona de recarga del acuífero
Cuadro 8
Consumo de cemento en tratamientos sistemático (TS) y localizado (TL), cortina de inyección simétrica
Características Tratamiento sistemático Tratamiento localizado Totales
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artesiano, localizada a unos 700 m aguas arribadel eje de presa, reduciendo con ello las presio-nes y los caudales registrados en los piezóme-tros de monitoreo. Así mismo es convenienteestablecer un monitoreo sobre las filtracionesesperadas en función del diseño de la cortina deinyección.
CONCLUSIONES
El diseño de la cortina de inyección requirióla ejecución de una cortina de prueba, donde sedefinió la permeabilidad inducida del macizorocoso, el diseño de la lechada y las presiones deinyección. Como parte del diseño de la cortina deinyección se sugiere la inyección de lechada, pormedio de perforaciones primarias, secundarias yterciarias.
Tomando en cuenta que el sitio de presa noes igualmente inyectable en toda su extensión, serecomienda tratar por separado los sectores deroca buena (pobremente inyectables) y las zonasde falla. Así mismo deberá ser necesario imple-mentar una variante de inyección que resulta dela aplicación del método GIN y el método tradi-cional de inyección. Esta variante consistirá en laaplicación de lechadas con diferentes relacionesde agua-cemento.
El largo de las galerías de inyección será deal menos 100 m, longitud suficiente para alcanzaruna frontera en la cual la permeabilidad se redu-ce significativamente, según los resultados de laspruebas de agua hechas en diferentes perforacio-nes de investigación en el sitio de presa. Además,con la aplicación de esta medida, es posiblegarantizar una adecuada impermeabilización delas principales estructuras geológicas que afectanel sitio de presa.
El conocimiento geológico-geotécnicoactual del sitio de presa proporciona evidenciassuficientes que confirman la existencia de unazona de considerable espesor localizada entre 30y 40 m por debajo del cauce del río, con permea-bilidades bajas para constituir una fronteraimpermeable contra la cual finalizará la parteinferior de la cortina de inyección.
Para inyectar adecuadamente el sitio depresa será necesario excavar en cada margen 4galerías, todas de 100 m de longitud. Para lainyección se tomó en cuenta la realización de untratamiento sistemático, complementado con tra-tamientos localizados especialmente en aquellossectores afectados por una densa fracturación. Eltratamiento sistemático demandará 975 perfora-ciones y 41 000 metros de perforación. El trata-miento localizado requerirá de 189 perforacionesy más de 8000 m de perforación.
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