HIDROGEOLOGÍA ISOTÓPICA APLICADA EN GRANDES PRESAS: LOCALIZACIÓN DE FILTRACIONES

Transcripción

1 EN GRANDES PRESAS: JAVIER MORENO SÁNCHEZ Gea Medioambiente, S.L. (Terratest)

2 . 1.- INTRODUCCIÓN La hidrogeología isotópica aplicada a los proyectos de construcción y mantenimiento de grandes presas es una disciplina de gran utilidad para la localización y cuantificación de las fugas y filtraciones que tienen lugar desde el embalse. En muchos casos, las filtraciones conducen a la reducción de los coeficientes de seguridad inicialmente adoptados, especialmente en las presas de materiales sueltos, donde se pueden generar graves problemas de consolidación y estabilidad. En otros casos, los elevados El estudio de las filtraciones requiere un análisis minucioso de la geología e hidrogeología, a pequeña escala, determinando la distribución de los parámetros hidráulicos que conducen a la generación e incremento de los flujos subterráneos. Normalmente, la metodología de la hidrogeología clásica mediante la ejecución de sondeos, estudios geofísicos y piezométricos, y ensayos de inyección (Lefranc, Lugeon y Gilg-Gavard, etc.) no es suficiente para la determinación del problema, y son precisas otro tipo de metodologías como la representada por los trazadores naturales del agua, también denominadas técnicas isotópicas. En este capítulo se presenta el estudio realizado en la Presa de Caspe II, situada en los Términos Municipales de Caspe y Maella, en la Provincia de Zaragoza, donde fueron aplicadas todas estas técnicas para localizar y cuantificar las filtraciones que se producían a través de la cerrada de la presa. 2.- ANTEDECENTES La Presa de Caspe II que se localiza en los Términos Municipales de Caspe y Maella, en la provincia de Zaragoza. La capacidad del embalse es de 81,6 hm 3. Forma parte del sistema de regulación conjunta del río Guadalope, junto con las presas de Santolea, Calanda y la

3 Estanca, y la presa de Gallipuén en su afluente del Guadalopillo, situadas todas ellas aguas arriba de ésta. Se trata de una presa de materiales sueltos zonificada de 41 m de altura máxima sobre el cimiento y una longitud en coronación de 400 m. Está formada por espaldones de zahorra, aguas arriba protegido por escollera, y un núcleo central impermeable de arcilla. Entre ambos materiales se instaló un filtro de grava. Bajo el núcleo de arcillas se habilitó una galería de inspección, desde la que se ejecutó una pantalla impermeable mediante taladros con inyecciones de cemento. El sistema de drenaje, del paramento aguas abajo, está formado por un repié de escollera que vierte en un canal de drenaje, donde se perforó una pantalla drenante (Ver Figura 1). Figura 1: Sección tipo de la presa El sustrato geológico de la presa está constituido por una alternancia subhorizontal de bancos de margas y areniscas, con intercalaciones de rocas evaporitas, de carácter sinsedimentario, y yeso recristalizado, rellenando fracturas y diaclasas. La presa comenzó a construirse en octubre de 1983 y se terminó a finales de Al llevar a cabo el primer llenado, en febrero de 1988, se detectó un proceso generalizado de filtraciones a través del sustrato de la presa que fue corregido con un tratamiento desde la galería de inspección, mediante la inyección de cemento a través de taladros. Un año después del llenado, en marzo de 1990, las filtraciones se registraron en la margen izquierda de la presa, procediéndose a su impermeabilización y, posteriormente, se reforzaron las inyecciones de la primera campaña a lo largo de la cerrada de la presa con cemento Tipo I 42,5. En julio de 2003 se detectó un incremento anómalo de los niveles piezométricos en los taladros de la pantalla drenante, instalada a continuación del repié de escollera. Todos los

4 indicios parecían apuntar que se trataba, nuevamente, de un proceso de filtraciones generado a través del sustrato de la cerrada, por disolución de sales evaporitas. 3.- TRABAJOS REALIZADOS El objetivo de las actuaciones realizadas fue la detección, cuantificación y prevención de las filtraciones que dieron lugar al incremento del nivel freático aguas abajo de la presa. Se trataba de investigar el proceso que las originaba con el objeto de llevar a cabo un tratamiento de emergencia para la consolidación e impermeabilización del sustrato de la cerrada. El estudio se orientó a la definición de las unidades litoestratigráficas y estructuras de interés en el flujo de las aguas subterráneas. Básicamente, se trataba de identificar la presencia de niveles permeables, las relaciones hidráulicas entre ellos, la velocidad de flujo a través de los niveles más transmisivos, el origen y calidad de las aguas, y demás aspectos que pueden intervenir en la estabilidad de la presa desde el punto de vista de la existencia de filtraciones. Se definió el comportamiento hidrogeológico de los materiales; se establecieron los parámetros hidráulicos, y se trató de reconocer y localizar las posibles zonas donde pudieran tener lugar las filtraciones, valorando la incidencia que pudieran tener sobre el entorno más próximo. Asimismo, se efectuó un estudio fotogeológico, a partir de pares estereoscópicos aéreos, desde un enfoque hidrogeológico, con objeto de establecer la geometría de las estructuras permeables, la presencia de zonas de falla, discontinuidades, y cuantos aspectos resultarán de interés para la caracterización hidrogeológica de los materiales que conforman el sustrato de la cerrada.

5 Para el conocimiento del comportamiento hidrogeológico de los materiales, se ha llevó a cabo una campaña de perforación de sondeos con recuperación de testigo, para el levantamiento de la columna litológica y su testificación geofísica. Se efectuarón 13 sondeos en el interior de la galería de inspección, 3 en el estribo izquierdo, 2 en el derecho y 9 en la zona aguas abajo de la cerrada. Durante la realización de los sondeos se llevaron a cabo ensayos hidrodinámicos in situ tipo Slug y Lugeon, de doble obturación. Además, se procedió al inventario y análisis de la información aportada por los piezómetros instalados, anteriormente, por el Servicio Geológico de Obras Públicas (Ver Figura 2). Figura 2: Localización de sondeos. En la testificación litológica de los sondeos se a hizo especial hincapié en el registro del grado de recuperación del testigo, se procedió a medir el índice de calidad de la roca (R.Q.D.) y se localizaron las discontinuidades de carácter estructural. Estas tareas de investigación en los sondeos, se vieron complementadas con la realización de registros geofísicos o diagrafías: se tomó medida de: Radiación Gamma Natural. Resistividad Normal con doble espacio (16-64 ) Resistencia monoeléctrica. Autopotencial, y Calibre del taladro.

6 El conjunto de todos estos ensayos permitieron determinar las características hidrogeológicas y geotécnicas de cada uno de los macizos rocosos atravesados, fundamentalmente, para identificar las zonas con presencia de discontinuidades, zonas fracturadas y zonas karstificadas (Ver Figura 3). En todos los sondeos se procedió a la toma de muestras del agua para analizar en laboratorio. El estudio de la composición química de las aguas subterráneas es una herramienta fundamental en la interpretación del comportamiento hidrogeológico del sistema. Esta tarea permite definir con mayor grado de exactitud el modelo conceptual de funcionamiento del sistema. Para el análisis e interpretación de la geoquímica de las aguas se han utilizado diagramas hidroquímicos triangulares (Piper- Hill-Langelier) y gráficos de calidad química tipo Scholler-Berkaloff. Figura 3: Diagrafías. Este tratamiento de la información ha permitido visualizar, y poner de manifiesto, las posibles relaciones y conexiones entre los materiales dentro y fuera del vaso de la presa, ofreciendo una clara idea de las características químicas y de las relaciones y caminos seguidos por las filtraciones a lo largo del sustrato de la presa. En este sentido, otra herramienta fundamental para el estudio del funcionamiento del sistema hidrogeológico ha sido el análisis de los isótopos ambientales del agua: el Deuterio y el Oxígeno-18. Estos análisis aportan una valiosa información de la historia evolutiva seguida por el agua en el medio subterráneo, determinando el origen del agua almacenada, la conexión entre distintas masas de agua, el tiempo de renovación, el camino evolutivo y su periodo de tránsito.

7 Asimismo, en todos los sondeos se han llevado a cabo ensayos de flujo consistentes en el marcado de la columna de agua con un trazador salino (cloruro sódico) y en el registro de la evolución de la conductividad (y la temperatura) a lo largo de un espacio de tiempo. Esta técnica permite la identificación y medida de los flujos subterráneos, tanto horizontales como verticales; localizando las zonas más permeables por porosidad intergranular, fracturación y/o karstificación, a través de las cuales se produce la circulación del agua (Ver Figura 4). Figura 4 : Ensayo de Trazador Salino Co nductividad (ms/cm) t=5 min t=15 min t=30 min t=1 h t=6 h t=18 h t=26 h t=32 h En las zonas donde se detectó la mayor circulación de las aguas, se realizaron sondeos de mayor diámetro, separados entre 10 y 15 m, para llevar a cabo ensayos de Tomografía Sísmica Cross-Hole. Esta técnica consiste en la medición, entre dos sondeos situados próximos entre sí, de la velocidad de transmisión de las ondas de compresión (Vp) a través del macizo rocoso. Su importancia radica en que los valores de este parámetro dependen del grado de compacidad e integridad estructural de los materiales y, por tanto, están directamente relacionados con la calidad del macizo rocoso. Las posibles heterogeneidades puntuales del terreno, como son las zonas de falla, cavidades, karstificaciones y contactos entre unidades litoestratigráficas, representan contrastes muy notables en la distribución de los valores de Vp del medio rocoso.

8 Finalmente, se han efectuado ensayos de inyección de Fluoresceína en ambos estribos de la presa, con objeto de cuantificar la velocidad del flujo subterráneo y establecer las vías de migración de las filtraciones a través del sustrato de la cerrada. Para ello fueron instalados fluocaptores en los piezómetros situados aguas abajo de la presa que han sido retirados paulatinamente, a lo largo del tiempo, y en función de los resultados que se obtenían en el laboratorio. Lo que ha permitido localizar con toda claridad las zonas de circulación de las aguas filtradas desde el embalse. Como resultado de los estudios se ha efectuado una modelización geoquímica de las filtraciones a través del sustrato de la presa para conocer la capacidad de disolución de las especies químicas. En medios donde abundan las rocas evaporitas, el agua se mineraliza por disolución de las más solubles. El equilibrio químico se alcanza después de grandes periodos de tiempo en contacto con la matriz de la formación acuífera. Cuando la circulación es relativamente rápida, el agua puede alcanzar su estado de saturación para ciertas especies químicas, pero a medida que desaparecen los iones alcalino-térreos, nuevamente adquiere capacidad para disolver por efecto del ión común. De esta forma, el agua puede presentar elevadas concentraciones de iones sulfatos asociados a la presencia de elevadas concentraciones de iones alcalinos, de forma que se conserve la electro-neutralidad de la mezcla. Dado el elevado número de variables que intervienen en el proceso, para analizar y predecir el comportamiento geoquímico de las aguas, en el entorno inmediato de la presa, y conocer la capacidad de disolución y precipitación de las especies químicas más solubles, se ha utilizado el programa de modelización geoquímica PHREEQC (Parkhurst y Appelo, 1999). 4.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN En la cerrada de la presa se han identificado bancos de areniscas con intercalaciones de margas; dentro de las margas se han diferenciado paquetes de margas yesíferas y margas arenosas, todos ellos con una disposición subhorizontal. En general todos los materiales se presentan muy compactos, con una fracturación no muy intensa. El conjunto de los materiales presentan una baja permeabilidad. A partir de los resultados obtenidos, se aprecia que existen dos zonas con notables diferencias frente a la

9 conductividad hidráulica del terreno. La zona central de la cerrada arroja un coeficiente de permeabilidad del orden de 10-8 m/s, mientras que en los estribos aumenta a 10-5 m/s. La circulación del agua se efectúa a través de las discontinuidades estructurales, tales como diaclasas, fisuras, planos de estratificación o niveles de disolución. En la mayor parte de los casos, se trata de microfisuras parcial o totalmente recristalizadas por yeso precipitado. En otros casos, la circulación de aguas no saturadas en las especies minerales, favorecen la aparición de nuevos niveles de disolución. Bajo la cerrada se ha detectado la presencia de aguas procedentes de la precipitación local, muy mineralizadas por envejecimiento, en equilibrio químico con la formación geológica. Son aguas almacenadas a lo largo del tiempo, sin apenas capacidad de movilizarse. Por otra parte, a través de las discontinuidades estructurales del medio rocoso, se ha registrado la circulación de las aguas del embalse. Éstas proceden de otro contexto geológico; son aguas poco evolucionadas, potencialmente agresivas por su capacidad de disolución de las especies químicas más solubles que se encuentran en el sustrato de la presa. En la Figura 5 se recoge la interpretación de los resultados de los isótopos estables, donde se puede observar el agrupamiento de las muestras en función de su origen, sobre la base de los resultados de los isótopos estables del agua. Desviación isotópica de O18 y D -9-8,5-8 -7,5-7 -6,5-6 -5, Línea Meteórica Global D (%) -45 Precipitaciones -50 Embalse Fondo Embalse Superficie -55 O18 (%) -60 Figura 5: Desviación isotópica δd y δo 18

10 El Tritio de origen termonuclear y su distribución confirmaron estos resultados. Las aguas detectadas en los estribos de la presa se corresponden con aguas modernas, procedentes de las precipitaciones de los últimos años. Mientras que en la zona central de la cerrada, las aguas son anteriores a las precipitaciones del año 1953, fecha en la que se iniciaron los ensayos nucleares en la atmósfera. Hidroquímicamente, las aguas del embalse pertenecen a la Facies Bicarbonatada Cálcico- Magnésica, con una moderada presencia de sulfatos como consecuencia de la disolución de los yesos del entorno geológico. Las aguas poco evolucionadas pertenecen a la Facies Sulfatada Cálcico-Magnésica que evoluciona a Sódica. El proceso de mineralización del agua se ha producido como consecuencia de la disolución de las evaporitas por contacto con la matriz del terreno, y por los procesos incipientes de intercambio iónico con las arcillas del medio. Las aguas muy evolucionadas pertenecen a la Facies Sulfatada Sódica, con una mineralización muy acusada debido al elevado periodo de residencia en el terreno, se puede hablar de aguas fósiles (Ver Figura 6). El acusado incremento en el contenido de sulfatos (SO4 = ), así como de sodio (Na + ), superior a los cloruros (Cl - ) y el ascenso del magnesio (Mg ++ ) frente a los bicarbonatos (CO 3 H - ), puede ser explicado por la disolución de minerales sulfatados cálcicos, sódicos y magnésicos como el Yeso (CaSO 4 2 H 2 0), Thernardita (Na 2 SO4), Mirabilita (Na 2 SO 4 10 H 2 0), Epsomita (MgSO 4 7H 2 0) y Glauberita (Na 2 Ca(SO 4 ) 2 ) de los cuales se conoce su existencia en la formación Zaragoza (IGME, 1980). Aguas poco evolucionadas Aguas muy evolucionadas Figura 6: Gráfico de Piper

11 El potencial de disolución disminuye en la medida que las aguas circulan a través de la formación, hasta que se alcanza el límite de saturación de cada una de las especies químicas susceptibles de disolverse. No obstante, la circulación continuada de las aguas con poder de disolución dará lugar a un proceso activo, que se incrementará con el tiempo. En la Figura 7 se recoge el perfil geológico de la cerrada con la localización de las filtraciones. Figura 7: Perfil Geológico y Localización de Filtraciones La circulación de las aguas a través de la formación geológica se va a producir de forma estratificada. Las aguas del embalse al estar menos mineralizadas, y presentar menor densidad, van a tener la tendencia a situarse sobre las aguas de formación, muy mineralizadas, que presentan mayor densidad. Este hecho va a generar que el mayor potencial de disolución tenga lugar en las zonas altas, es decir, en los estribos. Mientras que en las zonas más profundas, donde mayoritariamente se localizan las aguas de formación, el potencial de disolución será menor. Se han registrado velocidades de filtración que varían entre 0,1 a 9 mm/s, en función que la circulación del agua se efectúe a través de la porosidad de la roca o bien, a través de microfisuras o zonas de fracturación. En función de la capacidad de disolución de las aguas en cada zona, se pueden apuntar las siguientes consideraciones:

12 - En el Estribo Derecho se está produciendo una disolución media de rocas evaporíticas, con una concentración de sales en las aguas de unos 8,1 g/l. Suponiendo que el caudal medio de filtraciones es de 7 m 3 /d, se tienen un total de 20,8 tn/año de sales disueltas. - En la Zona Central, se produce una disolución baja de especies minerales, con una concentración en las aguas de unos 10,9 g/l. Suponiendo un caudal medio de filtraciones de 3 m 3 /d, se tienen un total de 11,9 tn/año de sales disueltas en esta área. - En el Estribo Izquierdo, se produce una disolución acusada de rocas evaporitas, la concentración de sales en las aguas es de unos 5,7 g/l. Suponiendo que el caudal medio de filtraciones de 9 m 3 /d, se tienen un total de 18,7 tn/año de sales disueltas. 5.- CONCLUSIONES Las filtraciones de aguas del embalse se han detectado, fundamentalmente, en el estribo izquierdo (9 m 3 /d) y en el derecho (7 m 3 /d), mientras que en la zona central de la cerrada son de menor magnitud (3 m 3 /d). Las filtraciones se producen a través de discontinuidades estructurales: fracturas y diaclasas, contactos litológicos y/o por procesos de disolución (zonas karstificadas) a lo largo de la cerrada de la presa. En los estribos las filtraciones se han localizado hasta los 50 m de profundidad bajo la cota de coronación, mientras que en la zona central se localizan aproximadamente a los 10 m de profundidad, y de menor entidad en torno a los 30 m. Los mayores niveles de disolución de las rocas evaporitas se pueden producir en el estribo derecho, con un total de 20,8 tn/año, mientras que en el izquierdo se estima que son de 18,7 tn/año, y en la zona central de 11,9 tn/año. No obstante, la mayor incidencia parece que se localiza en el estribo izquierdo al detectarse en una zona relativamente limitada y muy próxima al cimiento de la presa.

13 La baja permeabilidad del terreno (10-5 a 10-8 m/s) que se produce, fundamentalmente, a través de microfisuras y fracturas de escaso desarrollo, y en segundo lugar a través de la porosidad de la roca, recomienda que la pantalla de impermeabilización se lleve a cabo mediante la inyección de microcementos tipo Spinor A-12 o similar. 6.- AGRADECIMIENTOS Agradecemos la oportunidad de presentar este capítulo a la Confederación Hidrográfica del Ebro y, especialmente, al Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos D. Honorio Morlans Martín, que fue el Director del Contrato. Bibliografía: BAQUER BARRIENTOS, E (1999). Hidrogeología del Bajo Aragón Zaragozano y sus Humedales. Catalogación de los Acuíferos de la Cuenca del Ebro. Ministerio de Medio Ambiente, C.H.E. (1997). Inédito. CAUSAPÉ, J. (2003). Calidad de los ríos Riguel y Arba (Zaragoza). Influencia del regadío de Bárdenas y modelización geoquímica del Sistema. Rev. Real Academia de Ciencias de Zaragoza. 58: COLOMA, P., MARTÍNEZ, F. (1995). Caracterización Hidroquímica del Drenaje Subterráneo de la Cordillera Ibérica en la Depresión Terciaria del Ebro. Composición Isotópica de las precipitaciones y aguas subterráneas de la Península Ibérica. Ministerio de Obras Públicas, Transportes y Medio Ambiente. CEDEX (1994). Foto Aérea de la zona de estudio: 469 B (Hojas nº 9,10, 11, 12 y 13) Año 1976, Escala 1:18:000. LECOMTE, K.L. (2003). Verificación y validación de modelos geoquímicos realizados con software específico. Problemas del Conocimiento en Ingeniería Geológica, Vol I. Ed Universitas, Córdoba. Pp MARTÍNEZ GIL, F.J. (1990). Hidrogeología del Valle del Ebro. PARKHURST, D.L., APPELO, C.A. (1999). User s guide to PHREEQC, a computer program for speciation, reaction-path, advective-transport, and inverse geochemical calculations. Water Resources Investigation Report US Geological Survey. Plan Hidrológico del Ebro. Ministerio de Medio Ambiente. C.H.E. (1993) Inédito.

14 PLATA BEDMAR, A., ARAGUÁS ARAGUÁS, L. (2002). Detection and Prevention of Leaks from Dams. PLATA BEDMAR, A., (1972). Isótopos en Hidrología. QUIRANTES, J. (1969). Estudio Sedimentológico y Estratigráfico del Terciario Continental de los Monegros.