MÉXICO

REALIZACIÓN DE PRUEBAS DE PERMEABILIDAD TIPO LUGEON

GUÍA CFE 10000-48

JULIO 2015 REVISA Y SUSTITUYE A LA

EDICIÓN DE ENERO 2006

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1 OBJETIVO Establecer un documento normalizado de CFE, que determine la base para la ejecución de pruebas de permeabilidad tipo Lugeon. 2 CAMPO DE APLICACIÓN Aplica cualquier entidad que realice pruebas tipo Lugeon para la CFE.

3 NORMAS QUE APLICAN

NOM-008-SCFI-2002 Sistema General de Unidades de medida. Sistema Internacional de Medidas (Sl).

Para el caso particular de la ejecución de pruebas Lugeon, no existen normas oficiales mexicanas.

4 DEFINICIONES 4.1 Absorción Cantidad de agua, que toma la roca por inyección, en litros por minuto por metro. 4.2 Coeficiente de Correlación entre Presión y Absorción. Coeficiente que puede ir desde 1 hasta -1 y cuyo valor absoluto define la relación de correspondencia entre las presiones y absorciones en una recta calculada por mínimos cuadrados. 4.3 Conductividad Hidráulica (Permeabilidad) Facilidad de los materiales para permitir el paso del agua, de acuerdo con las referencias [3], [5] y [6] del capítulo 9. 4.4 Ecuación Presión-Absorción Ecuación que mejor define el comportamiento de la absorción en función de la presión de la prueba. 4.5 Nivel Freático Nivel natural del agua en el subsuelo a la presión atmosférica. 4.6 Prueba Tipo Lugeon Ensayo consistente en la inyección de agua a presión ascendente y descendente dentro de una perforación en roca, para lo cual se aísla el tramo que se desea probar y se registra la absorción durante intervalos regulares de tiempo. 4.7 Unidad Lugeon Absorción de 1.0 (I/min)/m de agua, inyectada a una presión efectiva de 0.981 MPa.

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5 SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS.

A Absorción.

Bar Unidad de presión que aproximadamente equivale a una atmósfera. No pertenece al SI, pero puede usarse temporalmente con éste. 1 Bar = 100 kPa = 1.01972 kg f /cm2.

UL Unidad Lugeon.

p Presión efectiva ejercida en el tramo que se prueba.

Pa Pascal. Unidad de presión del SI, equivale a la fuerza de un newton sobre una superficie de un metro cuadrado normal a la misma. Por lo general se utiliza el kilopascal, 1kPa = 0.01 Bar = 0.0102 kg f /cm2.

pm Presión ejercida por la bomba con que se inyecta el agua y medida en el manómetro de la prueba. ph Presión hidrostática formada por la columna de agua en la perforación durante la prueba. pf Pérdidas de presión por fricción en la tubería, entre la distancia que hay del manómetro a la

parte superior del tramo que se prueba.

t Tiempo de prueba en minutos a una misma presión. NF Profundidad del nivel freático. RQD Índice de calidad de roca medida en los núcleos de la perforación. V Volumen de agua que toma la perforación durante un tiempo (t) a una misma presión (p). 1.0 UL = 1.3 x 10-7 cm/s; para flujo laminar, esta equivalencia debe usarse con reserva cuando no se tenga la

seguridad de dicha condición de acuerdo a la referencia [2] y [1] del capítulo 9.

MPa Mega Pascales (106 Pa) * kilogramo-fuerza, sólo como comparación (unidad que la norma recomienda no utilizar).

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6 CARACTERÍSTICAS Y CONDICIONES GENERALES. 6.1 Clasificación Aplicada al Método. Para calificar la conductividad hidráulica (permeabilidad) de cada tramo probado se adoptan los siguientes parámetros: 0.0 a 3.0 UL Tramo no conductivo (impermeable) >3.0 a 11.0 UL Tramo poco conductivo (poco permeable) >11.0 a 25.0 UL Tramo conductivo (permeable) >25.0 a 40.0 UL Tramo muy conductivo (muy permeable) >40.0 UL Tramo altamente conductivo (altamente permeable) 6.2 Instrumentos y Equipo a Utilizar El manómetro debe tener escala en pascales y capacidad para medir de 0.0 MPa a 1.4 MPa, apropiado para líquidos, comercialmente es conocido como de glicerina. El medidor de agua necesario es de tipo reloj o disco, con doble registro para regresar a "cero" y que permita diferenciar hasta unidades de litro. Se requiere además comprobar su exactitud con un recipiente de volumen conocido. La bomba apropiada es una de vacío progresivo, es decir de flujo constante, con capacidad para 300 I/min a una presión de 0.245 MPa. También se puede utilizar una de pistones de 140 I/min, pero asociada a un tanque con regulador de presión y en terrenos de baja permeabilidad. En lugares con baja disponibilidad de agua es necesario contar con un tanque auxiliar de 3.0 m3. Considerando que es recomendable realizar la prueba conforme avanza la perforación, el permeámetro debe ser de un solo empaque, el cual se recomienda que sea neumático. Es necesario un cronómetro para medir el tiempo de cada una de las observaciones. La inyección de agua se realiza a través de la tubería de acero utilizada en la perforación, con el acople de una T especial y la conexión de un tramo de manguera a la descarga de la bomba.

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6.3 Descripción del Método 6.3.1 Preparación de la prueba La perforación donde se efectúa la prueba, preferentemente debe ser hecha con brocas con insertos de diamante o impregnada, de diámetro nominal HQ (0.0967 m) o NQ (0.0758 m), y se debe utilizar agua limpia. Las pruebas deben hacerse conforme avanza la perforación, dejando para condiciones especiales probar una vez que el barreno ha concluido. Antes de la prueba el barreno debe ser lavado cuidadosa e intensamente con agua limpia [4]. En caso de que se utilice otro medio de perforación, debe consignarse en el reporte correspondiente y hacer un lavado adicional, con la finalidad de eliminar en lo posible cualquier obstrucción artificial. El tramo de prueba no debe ser mayor de 5.0 m. En los tramos muy fracturados es preferible una menor longitud, siempre y cuando el tiempo y los recursos disponibles lo permitan. Previo a la prueba es necesario conocer la litología, recuperación, RQD, si existe o no el nivel freático y la evolución del nivel de agua de la perforación, ya que dichos elementos son la base para determinar la longitud del tramo de prueba, la presión inicial, los requerimientos de la misma y en general para prevenir inconvenientes y tomar decisiones pertinentes durante la ejecución de la prueba. Para iniciar la prueba se debe registrar los datos generales en el formato recomendado, instalar el equipo indicado y el sistema del obturador neumático (inflado a la presión recomendada por el fabricante). 6.3.2 Desarrollo de la prueba Se inicia el bombeo de agua hasta observar que la lectura del manómetro se estabiliza en la presión deseada y por medio del cierre o apertura de la válvula que regula el paso de agua, se mantiene la misma presión, registrando la lectura inicial y final que indique el medidor de agua en cada periodo. El tiempo recomendado para cada observación es de 5 min, tanto para las presiones ascendentes como las descendentes, Otra alternativa es 5 observaciones de 10 min, considerando que la presión máxima debe ser la tercera, la primera y la última cerca de 0.5 de la máxima y la segunda y cuarta cerca de 0.75 de la presión máxima [7]. Siempre que sea posible se recomienda efectuar cuando menos 5 observaciones de cada gama. Si no es posible alcanzar las cinco lecturas recomendadas, debe registrarse la causa, la presión máxima alcanzada y el consumo de agua durante uno o dos minutos, como referencia para apoyar la interpretación. De acuerdo con la definición de la prueba, cuando no se conozca suficientemente las características geológicas del tramo a probar, se puede iniciar la prueba con una presión efectiva de 0.196 MPa, con incrementos similares hasta llegar a 0.981 MPa. En caso de que la obra por construir se proyecte a más de 100 m de altura y si el terreno lo permite, se puede incrementar la presión hasta simular en lo posible la presión a la que se estima estará sometido el terreno, incrementando todavía 0.1 ó 0.2 MPa por arriba de dicha presión. En caso de detectar que el terreno se deteriora de manera inconveniente con los incrementos de presión, se pueden reducir éstos a 0.1 MPa.

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6.3.3 Cálculo de la prueba El cálculo de una prueba tipo Lugeon consiste en obtener las absorciones (en unidades l/min/m), para cada uno de los (cinco) valores de presión efectiva aplicados durante la prueba, realizar la gráfica absorción-presión y determinar el valor más próximo a 0.981 MPa. Si no se alcanzó dicha presión se debe indicar la causa y el valor máximo. Las presiones efectivas se determinan con la relación: Presión efectiva (P) = presión manométrica (pm) + presión hidrostática (ph) – pérdidas por fricción (pf) La presión hidrostática (ph) se determina a partir de la altura de la columna de agua (h) que actúa sobre el tramo probado desde el manómetro y descontando la zona saturada si hay nivel freático. Es necesario el cálculo de la proyección vertical cuando el arreno tiene inclinación. Las pérdidas por fricción pueden calcularse u obtenerse de gráficas. Una fórmula aceptada [8] (relación Darcy-Weisback) para el cálculo de estas pérdidas (pf) es:

Donde: pf Pérdida de energía debida a la fricción (N.m/N, m) L Longitud de la conducción del flujo (m) D Diámetro de la tubería (m) v Velocidad promedio del flujo (m/s) f Factor de fricción (0.02805 : tubos nuevos, 0.03 : tubos viejos) g Constante de aceleración de la gravedad (9.80665 m/s2) Las absorciones (l/min/m) se obtienen considerando el volumen de agua absorbido V (l) en el periodo de observación t (min) y en la longitud del tramo L (m). El cálculo de las UL, para una evaluación representativa, tiene como base la obtención de la gráfica del comportamiento Presión-Absorción. Es posible obtener resultados más precisos considerando el lugar geométrico determinado por los puntos de observación, con un ajuste basado en el método de mínimos cuadrados, siempre y cuando su coeficiente de correlación se aproxime al valor de 1 ó -1. 6.3.4 Interpretación de la prueba La gráfica Presión-Absorción de la prueba es la base para interpretar los cambios de absorción durante una prueba. Por ello es importante observar los cambios en la tendencia lineal de una gráfica e interpretar el aumento de absorción y su correspondencia, por ejemplo, con apertura de fracturas o lavado de material de relleno de éstas, así como disminución de la misma por inserción de material arcilloso [9]. Además, existen patrones de gráficas complementarias que pueden reforzar la interpretación [10] [7], mismos que actualmente representan intentos para automatizar la interpretación. La gráfica además, tiene utilidad para determinar si la absorción de agua por el tramo probado muestra un comportamiento cercano al teórico (absorción progresiva y uniforme), proporcionar pistas acerca del tipo de flujo (laminar o turbulento), así como para mostrar los puntos donde se producen cambios notables en la absorción y determinar las presiones donde ocurren (presiones críticas).

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6.3.5 Diagrama de flujo

INICIO

Conectar bomba, recipiente

amortiguador y accesorio de

superficie

Inyectar agua gama ascendente

Tramo de perforación listo para

prueba tipo Bajar

permeámetro y tubería

No

Saturar el terreno

Sí

Inyectar agua gama

descendente

Retirar permeámetro

y tubería

FIN

Llenar formato de campo

Empacar permeámetros

Continuar perforando Cálculo

unidades Lugeon del

tramo

¿Hay más tramos por

probar?

Presentación de resultados Sí No

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6.4 Presentación de Resultados Se debe llevar a cabo un registro de campo con los datos de la prueba, para el cual se anexa formato que es necesario llenar. En el mismo se ilustra la instalación típica del equipo de prueba y los datos que es necesario recabar (véase figura 1). El reporte de cálculo contiene los datos generales de la prueba, las presiones manométricas aplicadas, pérdidas por fricción y presiones efectivas en MPa para cada una de las observaciones, así como las absorciones respectivas en (I/min)/m. Debe contener una gráfica en donde en el eje de las abscisas se indiquen las presiones efectivas y las absorciones en las ordenadas. El resultado debe indicarse en el campo ABSORCIÓN, en MPa (por tradición, se presenta su equivalencia en kg/cm2), debe ser el valor más cercano a la presión de 0.981 MPa para cumplir con la condición Lugeon o en su defecto, la absorción registrada en la presión mayor (figura 2.) La conductividad hidráulica (permeabilidad) obtenida en cada barreno se consigna gráficamente en el informe del barreno, indicando los tramos no probados y poniendo 0.0 UL en los tramos con la nula conductividad hidráulica para evitar confusiones entre estas circunstancias. El cálculo de cada prueba realizada es de inclusión obligada en el informe de cada barreno. La conductividad hidráulica (permeabilidad) de cada barreno indicada de manera gráfica, es la base para relacionar en secciones geológicas o en bloques geológicos diagramáticos, la conductividad hidráulica entre los diferentes barrenos. 7 CONDICIONES DE SEGURIDAD INDUSTRIAL Las medidas para los trabajos de campo son:

a) El personal siempre debe estar identificado con credencial de la empresa. b) Debe utilizarse la ropa, el calzado y el equipo de seguridad (casco) común en las maniobras

de perforación. c) Conocer y acatar las disposiciones que se tengan al respecto en el proyecto. d) Contar con un botiquín elemental que contenga entre sus elementos, suero y antídotos para

mordedura de serpientes y animales ponzoñosos, que se tenga conocimiento existan en la región. .

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REGISTRO DE CAMPO DE PRUEBAS LUGEON

PROYECTO________________________ BARRENO___________________ INCLINACIÓN_________ DIÁMETRO_______

TRAMO DE _____________ a ___________ REALIZADO POR ____________________________ FECHA _________

Presión manométrica pm

MPa (kg/cm2) t

minutos Medidor de agua Volúmen en

litros Observaciones Lect. Inicial. Lect. Final

Asc

ende

ntes

Des

cend

ente

s

PROF. PÉRDIDA DE AGUA DE PERF. EN m. _______________________ LITOLOGÍA ________________

PROFUNDIDAD NIVEL FREÁTICO EN m. _________________________ ___________________________

ALTURA DEL MANÓMETRO EN m. ______________________________ FRACT. ____________________

PERFORISTA _______________________________________________ REC. __________ RQD ___________

LOCALIZACIÓN X= ____________ m. Y= ____________ m. Z= ____________ m. P = presión efectiva pm = presión manométrica ph = presión debida a la columna h pf = pérdida por fricción del manómetro a la parte superior del tramo probado OBSERVACIÓN IMPORTANTE: Cuando no exista manto freático o se encuentre bajo el tramo probado h debe ser del manómetro a la parte superior del tramo FIGURA 1 – Registro de pruebas Lugeon

P = pm ph - pf

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PROYECTO: HIDROELÉCTRICA LA YESCA, JALISCO TRAMO: BNO: BYSKI-03 DE: 20.00 A 25.00 m N.F.: m INCL: 75° Alt. Manómetro: 0.60 m Diámetro: Tiempo de cada observación: 5.00 min.

pm MPa

pm + ph MPa

pf MPa

P V I

A l/min/m MPa kg/cm2

0.0010 0.1962 0.0000 0.1962 2.00 0 0.00 0.1972 0.3924 0.0000 0.3924 4.00 0 0.00 0.3934 0.5886 0.0000 0.5886 6.00 0 0.00 0.5896 0.7848 0.0000 0.7848 8.00 22 0.88 0.7858 0.9810 0.0000 0.9810 10.00 40 1.60 0.5896 0.7848 0.0000 0.7848 8.00 36 1.44 0.3934 0.5886 0.0000 0.5886 6.00 29 1.16

pm = presión manométrica ph = presión hidrostática pf = perdidas por fricción

ABSORCIÓN: 1.60 l/min/m a 0.9810 MPa (10.00 kg/cm2) RECUPERACIÓN: 100.00 %

RQD: 59.89 % LITOLOGÍA: Dacita ________ GAMA ASCENDENTE GAMA DESCENDENTE

FIGURA 2 – Hoja de cálculo (ejemplo).

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HOJA D E CÁLCULO

Cálculo: Nombre y Firma

Revisó: Nombre y Firma

INTERPRETACIÓN: Impermeable, fracturas cerradas o selladas, ligera absorción en las últimas etapas de presión.

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8 CONDICIONES DE PROTECCIÓN AMBIENTAL En la realización de pruebas de permeabilidad, no son de gran impacto las actividades que deterioran el medio ambiente, sin embargo, es necesario observar medidas de protección ambiental como: apagar perfectamente las fogatas, no dejar desechos contaminantes en el campo (latas, bolsas de plástico y frascos) y concentrarlos en los depósitos instalados en el proyecto o Municipio, para tal propósito, no utilizar los ríos y arroyos como depósitos de basura, en las aperturas de brechas, no desforestar más de lo indispensable. Conocer y acatar las disposiciones que se tengan al respecto en el proyecto. Puede suceder que las grietas de la roca probada se encuentren rellenas de un material arcilloso que permite solamente un avance muy lento del agua de tal modo que hasta después de meses o años llegue a saturarse esa arcilla y reblandecerse hasta hacerla deslavable por el flujo, produciéndose un aumento grande en la permeabilidad de la roca con peligro no solamente de pérdidas importantes de agua, sino aun de estabilidad de la estructura. Cuando se hacen las pruebas laterales en ocasiones se requieren de varias pruebas continuas que ponen en riesgo la estabilidad del terreno; asimismo, en algunas ocasiones la prueba de permeabilidad, se realiza en zonas con pendientes fuertes, tal es el caso de la zona de la cortina en hidroeléctricas; por lo anterior, y debido al desmonte y retiro de la capa orgánica del suelo en la superficie en que se realiza las pruebas de permeabilidad, esto pone en riesgo la estabilidad del terreno por la continuidad de las zonas de prueba, así como por la exposición del suelo a la intemperie (erosión). 9 BlBLlOGRAFÍA [1] Camefort, H., Perforaciones y sondeos. Su empleo en los trabajos de reconocimiento y en las obras

públicas,1962. Ed. Omega, Barcelona, 434 p. [2] Coria Maldonado, A., Instrucciones sobre operaciones de pruebas de permeabilidad, 1964. SARH. [3] Driscoll F., G., Groundwater and Wells, 1989. Johnson Filtration Systems Inc. P. 71-76. [4] Escalante Arias, H., Instrucciones generales sobre operaciones de campo para la ejecución de pruebas de

permeabilidad tipo Lugeon. Inédito. SARH. [5] Fetter Jr., C.W., Applied Hydrogeology, 1980.Charles E. Merrill Publishing Co. P. 70-72. [6] Lohman, S.W. Hidráulica subterránea, 1977. Ed. Ariel. P. 33. [7] Marsal, R. y Reséndiz, D., Presas de tierra y enrocamiento, 1975. Ed. Limusa. [8] Mataix Plana, C. Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas, 1982. Ed. Haria 660 P.p. [9] Rosello, J.G., Zaldeugui, J.M.G., Pautre, A., Enseñanzas a partir de los ensayos Lugeon mejorados, Traducción

de: Francisco Torres H. -, Inédito. [10] Torres-Herrera, F., Disgresión sobre pruebas de agua a presión. Inédito. [11] Wittke, W., Rock Mechanics, Theory and applications with Case Histories. 1990, Spinger Verlag . P .896-922.

[12] Ruiz-Vázquez, M, Rosas-López, J.L., Vera-Ocampo, M y de la Llata-Romero, R., Manual de Geotecnia, B.1.2

Obtención y análisis de la información geológica, acerca de la interpretación de los resultados de las pruebas Lugeon., 2012, UNAM, Fac. de Ingeniería-CFE.

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[13] Rosales-Rivera, A. y Falcón-Felix, M., Apuntes de Bombeo y Compresión, FI/DICT/87-016,1983, UNAM, Facultad

de Ingeniería, División de Ingeniería en Ciencias de la Tierra, Unidad de Difusión, 306 p. [14] Escalante Arias, H., Interpretaciones de los resultados de las gráficas en las pruebas Lugeon. Inédito. SARH. [15] Houlsby, A., Routine Interpretation of the Lugeon Water-Test, 1976. Q.J. Eng. Geol., Vol. 9, p. 303-313.