Paper title
Metodología observacional de diseño para el tratamiento de
macizos rocosos mediante inyecciones
Design observational methodology for rock mass grouting
treatments
Jorge A. LOPEZ MOLINA1, José A. VALENCIA QUINTANAR1,
Javier A. ESPINOSA GUILLEN1, Gerardo MENDIETA TORRES1
Sociedad Mexicana de
Ingeniería Geotécnica,A.C.
XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería
Geotécnica
Noviembre 14 a 16, 2012 – Cancún, Quintana Roo
2
Título del trabajo
(sólo poner primer autor, ver ejemplo) APELLIDO Inicial del
nombre et al.
3
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
1Departamento de Mecánica de Rocas e Inyecciones, GEIC, CFE
RESUMEN: Debido a la considerable cantidad de variables que
influyen los resultados de un proceso de inyección y los cambios en
el diseño y especificaciones de construcción que normalmente se
presentan en este tipo de trabajos, se propone una metodología
observacional de diseño para el tratamiento de macizos rocosos que
incorpora los controles de calidad comunes del proceso y agrega
consideraciones que facilitan la toma de decisiones y la
optimización del diseño de acuerdo con el comportamiento que
presenta el terreno durante la inyección. La propuesta se basa en
la evaluación de los resultados y experiencias obtenidas en
diferentes proyectos y enfatiza la importancia de actualizar la
información disponible de permeabilidad, inyectabilidad y
propiedades de la mezcla empleada durante toda la etapa de
construcción. Se presentan en este trabajo: los principales
parámetros a evaluar, las metodologías para la identificación del
comportamiento del terreno, acciones para optimizar los resultados
del tratamiento y propuestas para mejorar la oportunidad de
respuesta.
ABSTRACT: Due to the considerable number of variables that
influence the results of a grouting process and the changes in the
design and construction specifications that commonly occur in these
works; a design observational methodology for rock mass treatments
is proposed that incorporates common quality control process adding
considerations which facilitate decision making and design
optimization according to the behavior presented during grouting.
The proposal is based on result evaluation and experience gained in
different projects and emphasizes the importance of updating the
available information of permeability, groutability and grout mix
properties during the entire construction stage. In this paper are
presented: the main parameters to assess, the methodologies for
ground behavior identification, actions to optimize grouting
outcomes and proposals to improve the response opportunity.
XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería
Geotécnica
Cancún, Qr., 14 a 16 de noviembre de 2012
4
Metodología Observacional de diseño para el tratamiento de
macizos rocosos mediante inyecciones
López-Molina, et al.
3
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
1 introducción
El diseño y ejecución de tratamientos de impermeabilización o
consolidación para un macizo rocoso mediante inyecciones, suele
presentar dificultades debido a la considerable cantidad de
parámetros que influyen en los resultados del proceso; dichos
factores pueden dividirse en dos grupos principales: variaciones
geológicas (continuidad de estructuras, frecuencia, apertura,
rugosidad, etc.), variaciones relacionadas con el proceso de
inyección (presión de inyección, gasto de inyección, propiedades
reológicas de la mezcla, etc.).
Frecuentemente los tratamientos mediante inyecciones con diseños
rigurosos, generados a partir de información limitada de los
estudios previos, demandan modificaciones continuas durante la
etapa de construcción; por lo tanto, una metodología de diseño
observacional que se adapte a las condiciones encontradas durante
la ejecución puede resultar más adecuada, siempre y cuando se
cumplan los requisitos mínimos necesarios para su
implementación.
De acuerdo con Nicholson et al. (1999) el método observacional
en ingeniería geotécnica se puede definir como: “un proceso de
diseño continuo, gestionado e integrado, acompañado de un control
de construcción, monitoreo y revisión, que permite incorporar
modificaciones previamente definidas, durante o después de la
construcción según sea apropiado. El objetivo es conseguir un mayor
ahorro de costos en general sin comprometer la seguridad del
proyecto”.
Por otro lado, Peck (1969) y el Eurocódigo 7 (2004) establecen
algunos requisitos para la ejecución de una metodología
observacional:
· Suficiente información del sitio.
· Desarrollo del diseño a partir del comportamiento más
probable.
· Establecimiento de los límites aceptables de
comportamiento.
· El rango de comportamientos probables debe ser evaluado y se
demostrará que existe una probabilidad aceptable de que el
comportamiento actual se encuentre entre los límites
aceptables.
· Elaboración de un plan de monitoreo, el cual revelará si el
comportamiento actual se encuentra dentro de los límites
aceptables. El monitoreo debe esclarecer cualquier desviación en el
comportamiento en un fase suficientemente temprana y con intervalos
suficientemente cortos para permitir que las acciones de
contingencia sean ejecutadas exitosamente.
· El tiempo de respuesta de procedimientos para el análisis de
los resultados será lo suficientemente rápido en relación a la
posible evolución del sistema.
· Elaboración de un plan de acciones de contingencia, las cuales
puedan ser adoptadas si el monitoreo revela un comportamiento fuera
de los límites aceptables.
Considerando estos puntos, se propone un método de diseño para
tratamientos mediante inyecciones, el cual especifica los controles
necesarios para identificar necesidades de ajuste en el diseño. Con
la finalidad de precisar esta propuesta, en los incisos 3, 4, 5 y 6
se presentan con mayor detalle los aspectos siguientes:
· Información preliminar necesaria
· Plan de monitoreo
· Procedimiento de análisis de resultados
· Evaluación de comportamiento
· Acciones de contingencia
2 ANTECEDENTES
La metodología propuesta parte de la evaluación de resultados y
experiencias adquiridas en diferentes proyectos donde se ejecutaron
tratamientos de inyección durante la etapa estudios previos,
construcción y operación, principalmente para proyectos
hidroeléctricos y geotermoeléctricos; los tratamientos se han
ejecutado en macizos rocosos de origen ígneo y sedimentario de
diferentes calidades (Tabla 1).
Tabla 1. Sitios de inyección evaluados
Etapa
Inyección
Calidad de roca
M
B
B
R
M
MM
C.H. Villita, Mich.
O
P-V
X
X
Zapotillo, Jal.
EP
P-V
X
X
Paso Ancho, Oax.
EP
P-V
X
X
P.H.
Zimapán, Qro.
C
P-V
X
X
P.H. Aguamilpa, Nay.
C
P-V, GIN
X
X
X
P.H. El Cajón, Nay.
EP
P-V, GIN, GM
X
X
X
P.H. El Cajón, Nay.
C
GIN, GM
X
X
X
X
P.H. La Yesca, Jal.
EP
P-V, GIN, GM
X
X
X
P.H. La Yesca, Jal.
C
GIN, GM
X
X
X
P.H. Las Cruces, Nay.
EP
P-V
X
X
C.G. Los Azufres, Mich.
O
P-V
X
X
(EP) Etapa de Estudios Previos; (C) Etapa de Construcción; (O)
Etapa de Operación;(P-V) Presión-Volumen;(GIN) Grouting Intensity
Number; (GM) Metodología GIN modificada.
La escala de calidades de roca corresponde aproximadamente a los
valores de RMR siguientes: (MM) 0-20; (M) 21-40; (R) 41-60; (B)
21-40; (MB) 81-100.
Los tratamientos fueron ejecutados con diferentes metodologías
de inyección, cuyas características se detallan en la Tabla 2; en
todos los casos se emplearon mezclas a base de cemento.
Tabla 2. Metodologías de inyección aplicadas
Método
Criterio para finalizar inyección
Mezcla de inyección
Presión-Volumen
(P-V)
· Presión máxima con gasto mínimo
· Volumen máximo
Diferentes tipos de mezclas dependiendo de los consumos
obtenidos.
Grouting Intensity Number
(GIN)
· Presión máxima con gasto mínimo
· Volumen máximo
· Curva GIN con gasto mínimo
Mezcla única con el mejor comportamiento posible.
GIN modificado
(GM)
· Presión máxima con gasto mínimo
· P-V para altos consumos.
· Curva GIN con gasto mínimo
Mezcla única y mezclas engrosadas en zonas de falla o altamente
fracturadas.
3 FLUJOGRAMA PROPUESTO E INFORMACIÓN NECESARIA PARA SU
IMPLEMENTACIÓN
La metodología de diseño propuesta se basa en un sistema de
evaluación de información que se divide en cuatro etapas
principales: estudios previos, definición de parámetros de
inyección, etapa de ejecución y evaluación de la información
generada.
El paso inicial de los estudios previos es la caracterización
geológica del sitio, la cual se obtiene de la integración de
levantamientos superficiales, barrenos de exploración y prospección
geofísica. Esta actividad permite seleccionar sitios
representativos para la ejecución de pruebas de permeabilidad e
inyectabilidad que posteriormente serán de utilidad para definir un
modelo geohidrológico preliminar. Estas actividades se desarrollan
en mayor medida durante las etapas de prefactibilidad y
factibilidad de un proyecto, sin embargo, la investigación y ajuste
de parámetros debe continuar durante la etapa de construcción,
seleccionando sitios representativos en donde se ubicarán los
tratamientos definitivos.
A partir del modelo geohidrológico y los resultados de las
pruebas de inyectabilidad se generan los parámetros de inyección
preliminares, que incluyen: la definición de la geometría del
proyecto (profundidad, extensión, dirección de barrenación, etc.);
los procedimientos de inyección más adecuada (entre los indicados
en la Tabla 2) y las propiedades de la mezcla de inyección.
Perforación
Mejora del modelo
Geohidrológico
Inyección
Evolución de consumos por etapas
Evaluación consumos vs absorción de agua
Propiedades de la mezcla de inyección
Zonas de alta
permeabilidad
Zonas erosionables o
hidrofracturamiento
Caracterización
Geológica
Pruebas de permeabilidad
Pruebas de inyectabilidad
Selección de sitios representativos
Modelo Geohidrológico Preliminar
Pruebas de Agua a Presión
Zonificación
Monitoreo en condiciones de operación
Diseño Geométrico
Criterio de Inyección
Mezcla de inyección
Verificación
Identificación de Zonas de Riesgo
Evaluación General
Estudios previos
Etapa de ejecución
Figura 1. Flujograma propuesto para la metodología de diseño
Con los parámetros de inyección preliminares inicia la etapa de
ejecución de los tratamientos que consta de cinco actividades
básicas indicadas en la Fig. 1. Durante esta etapa se ajustan los
parámetros de inyección de acuerdo con el comportamiento observado
durante el proceso. La información necesaria para la evaluación de
los resultados debe incluir preferentemente lo siguiente:
· Perforación: velocidades instantáneas de perforación, zonas de
pérdida de agua, identificación de oquedades, evaluación
cualitativa de zonas con igual calidad de roca, sondeo óptico de
barrenos seleccionados, etc.
· Pruebas de agua a presión: aplicando presiones similares a las
de operación del proyecto se define el comportamiento presión-gasto
por zonas, identificando principalmente: permeabilidades altas,
zonas erosionables, susceptibilidad de hidrofracturamiento o de
presentar deformaciones irrecuperables.
· Inyección: evaluación del consumo de cemento contra las
absorciones de agua a la presión de operación del proyecto,
evolución del consumo por etapas, pruebas de caracterización de las
mezclas de inyección y registro de la evolución de sus propiedades
en el tiempo.
· La verificación de los tratamientos de inyección puede
realizarse de manera continua, con pruebas de agua a presión en
cada etapa de inyección, en paneles de prueba ubicados en zonas
representativas, o bien, con barrenos finales de prueba para
definir la permeabilidad residual del medio inyectado.
En la sección siguiente se abordará el procedimiento de análisis
de resultados, evaluación de comportamientos y acciones por adoptar
a partir de la información generada durante la etapa de
construcción. Las propuestas emitidas consideran que los
tratamientos son ejecutados por etapas, es decir, con barrenos de
primera etapa ubicados a una distancia previamente especificada;
los de segunda etapa equidistantes a los de primera y así
sucesivamente con los barrenos de etapas siguientes.
Figura 3. Zona de altos consumos y altas absorciones de agua
(Zona III) (A) Estudios previos P.H. La Yesca: caso C1-C2 (B)
Estudios previos Zapotillo (sitio 1): caso D1-D2.
4 EVALUACIÓN DE COMPORTAMIENTO DURANTE EL PROCESO DE INYECCIÓN Y
ACCIONES POR ADOPTAR
4.1 Evaluación de comportamiento a partir de resultados de
consumo y permeabilidad por etapas
Cuando se cuenta con suficientes datos de evolución de la
permeabilidad y los consumos de mezcla entre cada una de las etapas
de inyección, es posible establecer las acciones de optimización
del proceso para diferentes comportamientos observados; para ello
se propone el sistema de la Fig. 2 y la Tabla 3.
I
II
III
IV
Figura 4. Zona de altos consumos y bajas absorciones de agua
(Zona II) (C) Estudios previos P.H. Las Cruces: caso A1-B1 (D)
Estudios previos Zapotillo (sitio 2): caso A2-B2
Fig. 2. Diagrama que ilustra los posibles comportamientos
durante el proceso de inyección. La tabla 3 indica las acciones
recomendables para cada condición.
Inicialmente se debe identificar la región principal de
comportamiento, de acuerdo con la combinación de absorción (<20
UL o >20 UL) y consumo (<30 kg/m o > 30 kg/m) obtenidos en
las primeras etapas de inyección (zonas I, II, III y IV en Fig. 2).
Los límites definidos pueden modificarse de acuerdo con el
comportamiento local observado en cada proyecto, conservando estas
cuatro zonas definidas anteriormente por Ewert (1997).
Posteriormente con el monitoreo de la evolución de la absorción
y consumo en etapas subsecuentes, se identifica la tendencia de
comportamiento como se indica en las Figs. 3 y 4, donde se eligió
considerar la evolución de primera a segunda etapa y de primera a
tercera etapa (vectores con línea discontinua y etapas indicadas
con números). El vector con línea continua para cada caso,
representa el comportamiento promedio del sitio; finalmente
mediante la Tabla 3, se pueden identificar las acciones para
optimizar el tratamiento en zonas con características
geohidrológicas similares. Por ejemplo, en la Fig. 3 (A),
correspondiente a la campaña de pruebas de inyectabilidad del P.H.
La Yesca durante los estudios previos, los resultados se ubican en
el sector de alta absorción y alto consumo (zona III) presentado
comportamientos correspondientes a los casos C1 y C2 (Fig. 2 y
Tabla 3); para esta zona en particular se puede interpretar que el
comportamiento se encuentra entre las tendencias adecuadas
(disminución de permeabilidad y disminución de consumo), sin
embargo, también hay indicios de hidrofracturamiento (HF) o
apertura mecánica de fracturas (HJ) durante la inyección, lo cual
puede generar consumos innecesarios, por lo tanto, de acuerdo con
la Tabla 3, conviene evaluar las presiones máximas de inyección en
zonas con características geohidrológicas similares o aplicar
engrosamiento de mezcla para optimizar el proceso.
Para la generación de la Tabla 3, se estudiaron otros casos como
los mostrados en las Figs. 3 y 4, así como las vías de optimización
del proceso definidas para cada caso.
Tabla 3. Acciones para optimizar el proceso (para datos de
permeabilidad y consumos por etapa)
4.2 Evaluación del comportamiento a partir de los consumos por
etapas y datos globales de permeabilidad
Es común durante el proceso de ejecución de tratamientos de
inyección, contar con datos de la evolución de consumos por etapas
y evaluaciones iniciales o finales de permeabilidad; estos datos
son útiles para la toma de decisiones considerando que se puede
tener alguno de los comportamientos mostrados en la Fig. 5, donde
se considera un consumo normalizado en relación con el promedio de
la zona en estudio. Para este tipo de revisión, las acciones para
optimizar el tratamiento pueden partir de las recomendaciones
indicadas en la Tabla 4.
Tabla 4. Acciones para optimizar el proceso (para datos de
consumos por etapa y permeabilidad global)
Permeabilidad global
Baja (˂ 5 UL)
Alta (˃20 UL)
A1
C1
· Indicios de HF o HJ
· Limitar presión máxima
y/o volumen máximo
· Evaluar inyección selectiva.
· Indicios de HF, HJ o limitada influencia entre etapas
· Implementar engrosamiento de mezcla.
· Limitar presión y/o volumen de inyección.
· Modificar dirección de barrenos y/o disminuir
espaciamiento.
A2
· Evaluar necesidad de inyección con pruebas de agua a
presión.
· Mezcla de inyección inadecuada
· Disminuir cohesión de la mezcla
· Evaluar el uso de materiales de inyección con tamaños de
partícula menor
· Incrementar presiones de inyección (con monitoreo de posibles
HF)
· Disminuir gasto de inyección
B1
· Evaluar inyección selectiva con pruebas de agua a presión.
· Limitada influencia entre etapas
· Aumentar presiones de inyección o disminuir espaciamiento
entre barrenos.
· Disminuir cohesión de la mezcla
· Optimizar dirección de barrenos
B2
· Comportamiento adecuado
· Evaluar inyección selectiva
· Comportamiento adecuado
B3
· Penetración alta de la mezcla que puede resultar
innecesaria
· Evaluar volúmenes de inyección
· Evaluar inyección selectiva
· Penetrabilidad adecuada
· Evaluar el aumento de distancia entre etapas para disminuir
volúmenes de barrenación
C2
· Limitar presión máxima y /o volumen máximo
· Evaluar necesidad de inyección de la etapa que presenta este
comportamiento
· Indicios de HF o HJ
· Limitar presión máxima
y/o volumen máximo
· En casos de alta penetrabilidad evaluar la eliminación de
etapas de inyección a distancias cortas (<2 m) para evitar el
viaje de la mezcla fuera del área de tratamiento
· Evaluar si se trata de caso B1 (cuando no hay HF)
Los comportamientos obtenidos durante la etapa de construcción
en diferentes zonas del P.H. El Cajón, se muestran en la Fig. 6.
Con este tipo de información se construyó la Tabla 4, partiendo de
las soluciones adoptadas en el sitio para optimizar el tratamiento,
o bien, de las recomendaciones que surgieron posteriormente durante
la etapa de operación al evaluar la efectividad de los
tratamientos.
Figura 5. Comportamientos tipo relacionados con la evolución de
consumos por etapas.
Figura 6. Evolución del consumo por etapas en diferentes zonas
del Plinto del P.H. El Cajón. Se ilustra el tipo de comportamiento
identificado.
4.3 Oportunidad de respuesta para la ejecución de acciones.
La oportunidad en la toma de decisiones bajo la metodología
propuesta está en función de la confiabilidad y representatividad
del modelo geológico o geohidrológico generado durante la etapa de
estudios previos, el cual debe ser continuamente mejorado a partir
de barrenos de exploración durante la etapa de construcción.
De acuerdo con experiencias en diversos sitios, es recomendable
que para cada zona con características similares, se cuente por lo
menos con un panel de prueba (porción de pantalla impermeable o
zona de consolidación con evaluación de permeabilidad y consumos en
cada etapa preferentemente) y una cantidad representativa de
barrenos de primera etapa en el sector estudiado. A partir de la
información de estos barrenos se pueden optimizar los tratamientos
en zonas similares a partir de la ejecución de barrenos segunda
etapa como máximo.
Por ejemplo, La Fig. 7 muestra los resultados de todos paneles
de inyección ubicados en dos zonas del P.H. El Cajón, cada una con
condiciones geohidrológicas particulares; de acuerdo con estos
datos y a partir de la Fig. 5, la ejecución anticipada de cualquier
panel arrojaría suficiente información para predecir un
comportamiento tipo C1 en el tramo “7-8” y C2 en el tramo “6-7”,
ambos con indicios de hidrofracturamiento o limitada influencia
entre etapas. Por lo tanto, a partir de la ejecución de un solo
panel de prueba, la correcta aplicación de medidas correctivas a
otros sectores dependerá exclusivamente de la confiabilidad del
modelo geohidrológico, lo cual confirma la importancia de
actualizar dicho modelo durante toda la etapa de ejecución de los
tratamientos
Por otro lado, la oportunidad de respuesta mejora de forma
importante cuando se cuenta con información de permeabilidad y
consumos de forma sistemática en diversas etapas de inyección, ya
que las modificaciones pueden generarse inmediatamente en el tramo
inyectado, en tramos adyacentes o barrenos de etapas
posteriores.
Figura 7. Comportamiento observado en diferentes paneles de
inyección dentro de zonas con propiedades geohidrológicas similares
(P.H. El Cajón).
5 EVALUACIÓN DEl comportamiento de la mezcla de inyección y
aplicación de medidas correctivas
Como complemento de la evaluación de consumos y permeabilidades
durante el proceso de ejecución de los tratamientos, es
indispensable mantener un control adecuado de las propiedades del
material inyectado para asegurar por lo menos los siguientes
objetivos (adaptados de Houlsby, 1982):
· Relleno completo de vacíos y fracturamiento por el material
inyectado, evitando burbujas debido a un exceso de agua.
· Alta penetrabilidad.
· Alta fuerza mecánica.
· Alto potencial de contracción, para evitar o al menos limitar
las micro grietas que se generan al endurecer la mezcla.
· Liga adecuada con las superficies de roca.
· Alta resistencia contra sustancias químicas.
La experiencia obtenida en los proyectos revisados, ha indicado
que el empleo de mezclas de cemento estables (con pérdida de agua
menor al 4%), con la adición de aditivos estabilizadores y
fluidificantes ha cumplido adecuadamente con estos requisitos.
5.1 Propiedades de la mezcla monitoreadas.
Con la finalidad de juzgar las características de una mezcla,
deben considerarse la evaluación de dos grupos de propiedades
dependientes entre si.
El primer grupo se refiere a las propiedades de la mezcla fresca
o suspensión de granos en agua, que tiende a seguir el
comportamiento de un cuerpo Binghamiano (presenta cohesión y
viscosidad). Los parámetros generalmente medidos y los rangos
comunes de aplicación de mezclas base (antes de aplicar cualquier
proceso de engrosamiento) son:
· Densidad
· Viscosidad (29 a 33 s Marsh)
· Cohesión relativa (<0.20 mm)
· Tiempo de fraguado (< 6 horas)
· Porcentaje de agua libre, decantación (<4%)
· Coeficiente de filtrado (≤ 0.6 min-1/2)
El segundo grupo de propiedades correspondientes a la mezcla
endurecida, consisten en:
· Resistencia mecánica (>100 kg/cm2 en los primeros 7
días)
· Resistencia a los agentes químicos (medida indirectamente a
partir de la permeabilidad y resistencia mecánica).
· Permeabilidad (˂1x10-8 m/s).
5.2 Estudios necesarios antes de iniciar los trabajos.
La dosificación de la mezcla de inyección para los tratamientos
se define a partir de ensayes a nivel laboratorio teniendo como
punto de partida diferentes relaciones agua/cemento con una
variación en las cantidades de aditivo fluidificante y
estabilizador que permita mantener un comportamiento favorable,
cohesión-viscosidad-estabilidad, durante el tratamiento por
ejecutar.
Figura 8. Isocurvas obtenidas a partir de ensayes de la mezcla
de inyección a nivel laboratorio (P.H. La Yesca).
En la Fig. 8 se observan los resultados de una campaña realizada
durante la etapa de construcción de la pantalla impermeable del
P.H. La Yesca (34 ensayes en total), donde se identificaron
isocurvas de igual viscosidad y decantación, para definir las
proporciones de materiales más convenientes.
De los ensayes que se observan en la Fig. 8, se obtuvieron dos
umbrales de igual comportamiento para dos tipos de mezclas, una sin
bentonita y otra con bentonita (0.4% con relación al peso del
cemento). Estos ensayes sirvieron como punto de partida para
implementar el uso de la mezcla a nivel campo, realizando ajustes
necesarios tales como el orden y el tiempo de mezclado (de forma
práctica estas variables son susceptibles a modificarse de acuerdo
con el tipo de equipo de mezclado).
1.3Frecuencia de monitoreo y resultados obtenidos
El monitoreo de la mezcla de inyección durante la etapa de
construcción, permite verificar y asegurar la calidad de la misma,
así como prever cambios en sus propiedades que puedan asociarse con
variaciones de las condiciones ambientales o con cambios en las
características de los materiales empleados. La frecuencia de
monitoreo de las mezclas de inyección debe fijarse preferentemente
de acuerdo con la llegada de cada lote de material con diferente
fecha de producción. Este monitoreo se debe realizar en campo y
laboratorio con el objeto de pronosticar el comportamiento que
presentará la mezcla durante el tiempo en el cual se empleen los
mismos materiales. Por otro lado, con ayuda de un laboratorio de
campo se debe realizar un monitoreo aleatorio diario para verificar
las propiedades de la mezcla en cada sitio de inyección. Los
parámetros medidos en campo son: viscosidad, densidad, temperatura
y decantación; los resultados se complementan con ensayes a nivel
laboratorio midiendo la resistencia a la compresión simple a los 7,
14 y 28 días, así como el valor de coeficiente de filtrado y la
cohesión relativa.
Los resultados de estas campañas de monitoreo se grafican en el
tiempo para evaluar el comportamiento de los parámetros reológicos
y asociarlos a las propiedades de los materiales involucrados en la
mezcla. En la Fig. 9 se observan los valores de viscosidad
obtenidos en campo y su distribución en el tiempo en el P.H. La
Yesca.
Con los resultados de viscosidad (V) y decantación (D), se puede
evaluar la concentración de resultados dentro de un espacio V-D, lo
cual nos permite comparar los parámetros obtenidos en campo contra
los especificados. En la Fig.10 se observa la envolvente de valores
especificados y la envolvente de valores óptimos. La concentración
de resultados es un indicador del comportamiento general de la
mezcla.
Figura 9. Comportamiento de la viscosidad inicial de la mezcla
en el tiempo en diferentes frentes de inyección (P.H. La Yesca,
junio de 2012).
Figura 10. Concentración de datos de viscosidad y decantación
(Espacio V-D) en el P.H. La Yesca.
1.4Ajustes necesarios a partir del comportamiento observado
Una vez definida la mezcla por inyectar (relación agua/cemento,
proporción de aditivos, tiempo y orden de mezclado) y a partir de
los controles de calidad implementados en campo, debe evaluarse la
posibilidad ajustar la mezcla con el objeto de mantener la calidad
requerida. Por ejemplo, en el P.H. La Yesca, donde las propiedades
de la mezcla presentaron gran sensibilidad a cambios estacionales o
a ligeras desviaciones en el proceso de elaboración, se propusieron
algunas medidas preventivas y correctivas con el objeto de
optimizar y mantener el comportamiento de la mezcla. En la Fig. 11
se muestra un diagrama con algunas de las acciones implementadas de
acuerdo con los resultados obtenidos durante la medición de las
propiedades de la mezcla en campo.
Como complemento de las medidas preventivas indicadas en el
párrafo anterior, se realizan inspecciones periódicas en las que se
verifica el correcto estado de las plantas de fabricación de
mezcla, el almacenamiento y transporte de materiales, así como la
capacitación del personal a cargo.
Antes
Antes
Figura 11. Acciones correctivas ante variaciones en las
propiedades de la mezcla (ejemplo P.H. La Yesca)
En la Fig. 12 se comparan dos envolventes V-D, la primera
corresponde a una mezcla antes de llevar a cabo los ajustes
necesarios para mantener los parámetros reológicos especificados y
la segunda corresponde al comportamiento de la mezcla cuando se han
realizado dichos ajustes. En esta gráfica se puede observar la
migración de datos de una zona cercana a los límites superiores
especificados e inclusive fuera de este rango, hacia una zona con
propiedades óptimas.
Después
6 Evaluación general (Identificación de zonas de riesgo)
A partir de la conjunción de información geohidrológica del
proyecto, así como los resultados de las inyecciones y monitoreo de
la mezcla de inyección, es posible identificar zonas de riesgo
cuando se presentan uno o más de las siguientes condiciones:
· Zonas con limitada cobertura de roca (susceptibles a
intemperismo por condiciones ambientales o aquellas impuestas por
el proyecto, zonas con altos gradientes hidráulicos, etc.)
Figura 12. Concentración de datos viscosidad-decantación (V-D)
antes y después de los ajustes de control de calidad
· Reducción de consumos por etapa poco adecuadas (casos A1, C1 y
C2 en Fig. 5)
· Reducción de permeabilidades entre etapas poco adecuada (casos
B o D de la Fig. 2. y principalmente casos D1 a D4)
Figura 13. Modelo geohidrológico del P.H. La Yesca e
identificación de zonas de riesgo
Zonas de riesgo identificadas
· Pruebas de permeabilidad con indicios de erosión,
hidrofracturamiento a las presiones de operación del proyecto o que
presentan deformaciones irrecuperables.
· Zonas de alta permeabilidad con bajos consumos (zona IV en
Fig. 2).
· Zonas con estructuras geológicas continuas con alta
permeabilidad.
· Zonas donde se emplearon mezclas de inyección con propiedades
poco convenientes o que presentaron dispersión importante en el
espacio V-D.
El ejemplo de un modelo geohidrológico y la identificación de
zonas de riesgo se muestra en La Fig. 13. Las acciones a tomar a
partir de esta información, suelen incluir:
· Reinyección de zonas puntuales o instalación de preparaciones
para su inyección en la etapa de operación.
· Monitoreo mediante piezómetros
· Monitoreo de filtraciones detallado durante operación
7 Conclusiones
La metodología observacional propuesta para el diseño de
tratamientos mediante inyecciones en macizos rocosos, incorpora los
controles de calidad típicos para este tipo de procesos y agrega
consideraciones adicionales para facilitar la clasificación de
comportamientos y toma de decisiones. La efectividad de esta
propuesta se basa en la calidad, cantidad y oportunidad de la
información recopilada durante la etapa de construcción, por ello
se expone la importancia de contar con datos de evolución de la
permeabilidad, consumos y propiedades del material inyectado
durante todo el proceso y en cada una de las etapa de inyección,
así como mantener actualizado el modelo geohidrológico del área
tratada. La mayor parte de las experiencias en las que se basa este
sistema fueron generadas en proyectos de presas con fines de
impermeabilización del macizo rocoso, sin embargo, no se descarta
su aplicación en trabajos con otro tipo de objetivos.
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos a la Comisión Federal de Electricidad las
facilidades para publicar la información presentada; en especial al
personal involucrado en la generación y evaluación de datos de las
áreas de Construcción y Mecánica de Rocas.
REFERENCIAS
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General rules”.
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Houlsby A.C. (1982), "Optimum water: cement rations for rock
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Conference sponsored by the Geotechnical Engineering Division,
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Nicholson, D, Tse, C and Penny, C. (1999). The Observational
Method in ground engineering – principles and applications. Report
185, CIRIA, Londres.
Peck (1969) “Advantages and limitations of the Observational
Method in applied soil mechanics”, Geotechnique, 19(2):
171-187.
0204060801001200102030405060
Consumo (kg/m) Absorción (UL) 1 2 B 1 2 3
(A) (B)
0204060801001200246810
Consumo (kg/m) Absorción (UL) 2 3 1 1 3 2
(C) (D)
0204060801001200102030405060
Consumo (kg/m) Absorción (UL)
< 5 5-20 >20 < 30 > 30
A B C D
Absorción- Permeabilidad
Inicial
Media-Baja (˂20 UL) Alta (˃20 UL)
Final Disminuye Aumenta o se mantiene Disminuye Aumenta o se
mantiene
1
Consumo
Alto (˃ 3
0 kg/m)
Aumenta o se
mantiene
Indicios de HF o HJ
Limitar presión máxima
Evaluar inyección
selectiva
Efectos locales (zonas
susceptibles de HF)
Limitar presión máxima
Modificar dirección de
barrenos y/o disminuir
espaciamiento
Indicios de HF o HJ
Limitar presión máxima
y/o volumen máximo
Indicios de HF o HJ
Limitar presión máxima
y/o volumen máximo
Implementar proceso de
engrosamiento
Modificar dirección de
barrenos y/o disminuir
espaciamiento
2
Disminuye
Evaluar inyección
selectiva con pruebas de
agua a presión.
Efectos locales (zonas
permeables con
fracturamiento intenso de
menor apertura)
Disminuir cohesión de la
mezcla
Disminuir distancia entre
barrenos o incrementar
presión máxima.
Evaluar inyección
selectiva
Comportamiento
adecuado
Puede ser necesario
implementar procesos de
engrosamiento para
optimización
Efectos locales (zonas
permeables con
fracturamiento intenso de
menor apertura)
Disminuir cohesión de la
mezcla
Disminuir distancia entre
barrenos o incrementar
presión máxima
Disminuir gastos de
inyección
3
Medio
-
Bajo (˂3
0 kg/m)
Aumenta o
se mantiene
Indicios de HF o HJ
Evaluar necesidad de
inyección con pruebas de
agua a presión.
Evaluar inyección
selectiva
Efectos locales (zonas
susceptibles de HF)
Indicios de HF o HJ
Limitar presión máxima
Indicios de HF o HJ
Limitar presión máxima
Aumentar cohesión de la
mezcla
4
Disminuye
Evaluar necesidad de
inyección con pruebas de
agua a presión.
Evaluar inyección
selectiva
Efectos locales (zonas
permeables con
fracturamiento intenso de
menor apertura)
Disminuir gasto de
inyección
Comportamiento
adecuado
Mezcla de inyección
inadecuada
Evaluar el uso de
materiales de inyección
con tamaños de partícula
menor
Disminuir gasto de
inyección
00.20.40.60.811.2123Consumo normalizadoEtapa
A1A2B1B2B3C2C1
00.20.40.60.811.21.41234Consumo normalizadoEtapaP8-P9 línea
CAP8-P9 línea CAP9-P10 línea CAP10-P11 línea C1
A2
00.511.522.51234Consumo normalizadoEtapa
Plinto Tramo 7-8Plinto Tramo 6-7
0.40.50.60.70.80.91.01.11.21.31.41.51.60.660.680.700.720.740.760.780.800.820.840.86%
aditivoa/c
33(0%B)33 (0.4%B)(0%B)InestableEstable< 33s en 1h> 33s en
1h
Isocurva de estabilidad
(frontera de 5% de agua libre en
la prueba de decantación)
Isocurva de viscosidad
(segundos en Cono Marsh)
Zona dentro de especificaciòn
Zonas de comportamiento
aceptable Aditivo fluidificante (% en peso del cemento) Relación
Agua/Cemento en peso
Isocurva de viscosidad (33 segundos Marsh)
Isocurva de estabilidad (decantación 4 %)
0.68 0.72 0.76 0.80 0.82 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
2829303132333435
Viscosidad (s) Fecha
Comportamiento de la Viscosidad inicial de la Mezcla SB en el
tiempo
GI1R1GDI RDGD-1 RISUPERFICIETD1-T.ANCLATUNEL DE DESVIO 2CODO INF
U2TD1-L.PANTALLAGI-3
Sedimentación(%)Viscosidadinicial(seg. Marsh)
2828.52929.53030.53131.53232.53333.53434.535-1-0.500.511.522.533.544.555.566.577.58Viscosidad
inicial (s)Decantación 120 min (%)
Porcentaje de muestras espacio V-D
8-106-84-62-40-2
óptimoaceptable
2829303132333435-1012345678Viscosidad inicial (s) Decantación
120 min (%) 4-62-40-2
aceptable óptima
2829303132333435-1012345678
Viscosidad inicial (s)
Decantación 120 min (%)
10-155-100-5
Envolvente aceptada (Yesca)
Envolvente óptima
2829303132333435-1012345678
Viscosidad inicial (s) Decantación 120 min (%)
10-155-100-5
aceptable
óptima
8483124212212255461122210184214
PERMEABILIDAD<3 LU Impermeable< 40 LU MuyPermeable>
11-25 LU Permeable> 3-11 LU> 25-40 LU
