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ENSAYO CON TRAZADOR SALINO (NACL) PARA CORROBORAR CONEXIONES HIDRÁULICAS

Presentado en el V Seminario Peruano de Geoingeniería.

Por: A.M. Martínez, Miner S.A, Carmen de Atrato, Chocó, Colombia.



Resumen 

Este estudio presenta los resultados obtenidos respecto al potencial de conexión hidráulica entre la escorrentía de agua superficial de la Quebrada Telly y los aportes o salidas de agua subterránea que se presentan en los cruceros del nivel 2000 de la mina el Roble, a través de la implementación de métodos hidrogeológicos e hidroquímicos, tales como, el ensayo por técnica de trazadores, que en el caso del presente estudio fue salino (NaCl).

Compila los datos de los parámetros fisicoquímicos tomados de manera estratégica a lo largo de la escorrentía de agua superficial (Quebrada Telly) y los aguacerales ubicados dentro del crucero del NV 2000, asimismo la toma de muestras para la realización de ensayos de carácter hidroquímico antes y después de la aplicación del trazador y su correspondiente análisis estadístico, que permitió inferir la conexión hidráulica entre estos flujos de agua superficial y subterráneo.

Aporte

Los ensayos por trazadores son empleados entre muchos objetivos, para determinar, por ejemplo, las conexiones existentes entre dos fuentes hidráulicas diferentes bien sean subterráneas o no, para el caso particular de este estudio es de gran importancia conocer la posibilidad de conexión hidráulica existente entre escorrentías superficiales y las filtraciones subterráneas al interior de los túneles en estudio, ya que, en épocas de fuertes lluvias, una de las quebradas o afluentes superficiales intermitentes (Quebrada Telly) aumenta sus caudales y se observa de igual forma un aumento en las filtraciones al interior de los túneles, que acelera el deterioro y daño al sostenimiento de dichos cruceros.

En la actualidad pueden existir avances mineros que no contaron en sus inicios con estudios hidrogeológicos de detalle y la generación de modelos hidrogeológicos conceptuales que permitan identificar a tiempo situaciones complejas con las infiltraciones de agua en los túneles a desarrollar, se estima entonces que el uso de ensayos como el de trazadores salinos y la buena información de campo, son una alternativa muy rápida y de bajo costo, para determinar conexiones hidráulicas que sustenten técnicamente, los eventos de aumentos en caudales en épocas invernales al interior de los túneles, el deterioro en consecuencia acelerado a los soportes instalados y las posibles inversiones requeridas para realizar propuestas de mitigación desde el origen, que permitan controlar mejor estas infiltraciones y los impactos a la infraestructura y el sostenimiento. “En determinadas ocasiones es de esencial importancia el conocer con exactitud si existe conexión entre dos puntos de un acuífero. Para ello se han llevado a cabo, desde el siglo pasado, experimentos consistentes en mezclar, en el agua de un aprovechamiento subterráneo localizado aguas arriba, con una sal o un tinte, el cual puede ser reconocido en otro aprovechamiento localizado a cierta distancia aguas abajo, determinando así, la posible conexión entre dichos puntos. A esta técnica se le conoce como trazadores de agua subterránea”, (Lesser Illades, 1978).

Introducción

El presente estudio se centró en la determinación de las posibles conexiones hidráulicas existentes entre la escorrentía superficial de la quebrada Telly y las excavaciones abiertas de los cruceros del nivel 2000 de la mina el Roble, a partir del uso de la técnica de trazadores salinos. Desde años atrás se nota un aumento en los flujos de agua al interior de los túneles en mención en las épocas invernales que ocurren en la zona de estudio, estos flujos de agua afectan sustancialmente el sostenimiento actual de los cruceros y ha acelerado su deterioro, se pretenden llevar estas observaciones rutinarias de campo, a un soporte más técnico que pueda respaldar mejor el hecho de la existencia de estas conexiones, con el fin de poder validar las inversiones necesarias para adelantar algunos planes de mitigación de la infiltración a los túneles, y así alargar la vida útil de los soportes aplicados.

El método que se empleara para tratar de identificar estas conexiones corresponde al de trazadores. “Existen multitud de trazadores, (solutos estables, partículas en suspensión, isotopos, etc.) lo importan- te es que sean fáciles de analizar en concentraciones bajas, que apenas estén presentes en el agua natural, que no alteren las propiedades del agua etc.”, (Guimerá, & otros, 1996).

(Lesser Illades, 1978) según referencia (Zoltl, 1970) “este método es aplicado principalmente en rocas fracturadas, donde el tiempo de tránsito es corto, y en distancias de hasta 40 Km”. La cual es una de las características principales de las formaciones litológicas presentes en la zona de estudio, donde adicionalmente el encampane o profundidad desde la superficie de la escorrentía a las excavaciones abiertas no supera los 200 m, en trayectoria vertical, otro factor relevante es que los túneles fueron construidos sobre la subcuenca, alineados de forma paralela a la misma, y a la dirección de flujo de la quebrada.

Habitualmente la realización de un ensayo con trazador puede resultar problemático y no funcionar al primer intento, a pesar de ello, la experiencia continua de quienes laboran en la mina y sus observaciones cotidianas acompañadas con una visita al terreno, permiten intuir un escenario en el origen de la dinámica del agua que surge en los túneles, sin embargo para tener más confiabilidad, es importante sustentar con otros parámetros de campo y laboratorio. Para ello, en este caso, el estudio se acompaña del ensayo de trazadores con muestreos de agua para análisis hidrogeoquímico, antes de la aplicación del trazador y poder comparar con los resultados después de aplicar el trazador, contribuyendo a un mejor sustento técnico por medio de un laboratorio especializado, adicionalmente las estrategias para entrampar las aguas y realizar lecturas periódicas de otros parámetros fisicoquímicos en el campo, con constancia y persistencia por varios días, es de gran importancia como complemento.

Otros aspectos importantes bajo los cuales se realizan las pruebas, es escoger preferencialmente la época de verano, antes de las lluvias fuertes, el vertimiento directo de la solución sobre el lecho de la quebrada en sectores estratégicos, el escoger un trazador más amigable con el medio ambiente y las fuentes de agua, que se diluya fácilmente, que permita que cualquier cambio químico en sus concentraciones sea detectado a través de ensayos de laboratorio con mayor facilidad, económico en todos estos aspectos y es por esto que de las opciones comúnmente disponibles para este tipo de ensayos, se opta por una solución con cloruro de sodio o conocida como sal común (NaCl).

Marco geográfico geomorfológico

El área de estudio se encuentra sobre las estribaciones de la cordillera Occidental al oriente del departamento del Chocó, adyacente a la zona de aprovechamiento minero influenciada por la cuenca del río Atrato, limitando al norte con Urrao y Salgar (Antioquia), por el sur con Lloró y Bagadó (Chocó), al este con Andes, Betania y Ciudad Bolívar (Antioquia) y por el oeste con Quibdó y Lloró. La zona objeto de estudio se halla entre los 2,000 msnm. y los 2,200 msnm., con una temperatura promedio de 19.2 °C y la precipitación media de 2,376 mm/año.

La cartografía geomorfológica presentada se establece con base a la plancha 165 – Carmen de Atrato, escala 1:100.000 del Servicio Geológico Colombiano (2012), donde se diferencian seis unidades de los ambientes morfogenéticos, cinco correspondientes al ambiente morfogenético estructural y uno al fluvial, por lo que es el ambiente estructural el que representa las principales características geomorfológicas de la zona de estudio, presentando una saliente morfología colinada, con pendientes con inclinaciones muy abruptas y longitudes largas, en general con valles en V cerrados e incisados (Colombiano, 2012) (Figura 1).

Aspectos hidrológicos e hidrogeológicos

El departamento del Choco en general se caracteriza por presentar altos niveles de precipitación anuales. “La precipitación en el departamento del Chocó puede alcanzar fácilmente los 8,000 y 12,000 milímetros al año, ubicándola como una de las regiones más lluviosas del globo” (Murillo López, Córdoba Machado, & Palomino Lemus, 2008). La cuenca alta del río Atrato en general presenta una precipitación media de 6,711.7 mm (media aritmética de todas las estaciones). (Murillo López, Córdoba Machado, & Palomino Lemus, 2008), de acuerdo con estos mismos autores y según el análisis de varios registros históricos de la estación pluviométrica del Carmen de Atrato, la precipitación media anual es de 2,376 mm/anuales, en un análisis presentado para un periodo de 20 años hasta el 2003, si bien no son datos muy actualizados a la fecha, si se estiman son muy consecuentes a las precipitaciones medias de la zona de estudio, las cuales son considerables en comparación a otras regiones del país y para el impacto que podrían tener al interior de los túneles desarrollados en el sector.

La zona de estudio, sector Carmen de Atrato, se encuentra enmarcada en la cuenca alta del río Atrato, de la cual se podría resumir que de acuerdo con el estudio realizado por (Murillo López, Córdoba Machado, & Palomino Lemus, 2008) “La escorrentía en la cuenca es de 4,820 mm, presentando los mayores valores hacia el oeste. La evapotranspiración potencial en el área de estudio presenta un promedio de 42 mm. La cuenca alta del río Atrato mostró las siguientes características: en un área de 3,118.9 km2, con un perímetro de 285 km, la longitud del río principal (río Atrato) es de 109 Km, con un coeficiente de capacidad de 1.43 (cuenca alongada), dando un factor de forma 0.26 indicativo de una forma ligeramente alargada y una densidad de drenaje de 0.11” (Figura 2).

Otro aspecto relevante para considerar son las unidades geológicas presentes en la zona de estudio con sus características litológicas y estructurales particulares, ya que conociendo el detalle de estas podemos conocer sobre qué medio rocosos se transportará el agua subterránea, la capacidad de transmisividad, permeabilidad, porosidades primarias o secundarias y el potencial de almacenamiento y/o formación de acuíferos que se podría tener en el subsuelo, pudiendo por métodos geológicos convencionales tener el contexto parcial del sistema hidrogeológico presente en la zona de estudio.

Geología local-litología

De acuerdo con la cartografía de detalle (Figura 3) con la que se cuenta para el presente estudio, las litologías predominantes corresponden a grandes paquetes de lutitas carbonosas, grafitosas, interdigitadas con areniscas de grano fino a muy fino y altos contenidos de materia orgánica, ocasionalmente estas lutitas intercaladas con paquetes de chert negro, de forma muy local algunos paquetes de limolitas, calizas negras y conglomerados polimícticos clastos soportados, de forma local también suelen presentarse diques con alteración argílica fuerte donde en algunos casos no fue posible reconocer su textura original, también se presentan diques andesíticos en menor grado de alteración.

De acuerdo con la información regional que se tiene, “La zona de estudio se encuentra localizada en la cordillera Occidental sobre rocas sedimentarias pertenecientes a la Formación Penderisco” (Calle & Salinas, 1987), cuyo nombre proviene de (Álvarez & Gonzales, 1978), quienes denominaron así a una secuencia areno-arcillosa (Miembro Urrao (Ksaau), este último de acuerdo con las descripciones bibliográficas encontradas, “Está constituido por interestratificaciones de lutitas, limolitas, lodolitas, areniscas, cherts y conglomerados polimícticos, dispuestos en estratos de características físicas muy variables, a escala menor la estructura es compleja caracterizándose por un intenso plegamiento que varía en su forma, magnitud, amplitud, y sentido del buzamiento, fallamiento frecuente; sin embargo, podría decirse que predominan los pliegues inclinados y que los estratos han experimentado al menos dos fases de plegamiento”, relacionando así la geología local de detalle con este marco geológico regional.

Las unidades litológicas locales presentes en la zona, se encuentran dentro del grupo de rocas sedimentarias predominantemente del tipo detrítico y químico, con algunos aportes de materia orgánica en el caso de lutitas y chert negro, que en general tienden a ser litologías que por su textura, compactación y gradaciones granulométricas muy finas a finas y tipos limos, (lutitas, limos, areniscas muy finas), unidades de parámetros hidráulicos de permeabilidades y porosidades primarias menores o bajas, en comparación con otros tipos de rocas.

De acuerdo con lo presentado en las Figuras 4 y5, se puede observar cómo particularmente las litologías cartografiadas estarían entrando dentro de rocas con capacidad nula a mala de drenaje, y que de depender solo de sus características texturales y granulometrías propias, no serían óptimas para permitir unas buenas condiciones de permeabilidad y dejar filtrar o drenar el agua a profundidad, por otra parte en términos de la porosidad total, y si bien para el presente análisis no se contó con curvas granulométricas que permitieran conocer diámetro eficaz o coeficientes de uniformidad, considerando la literatura disponible y tablas guía como las anteriores, se puede estimar que las unidades litológicas presentes, si bien comparadas con otros tipos de roca presentan mejores características de porosidad total y eficaz, al momento de y relacionarlas entre sí, se nota que del grupo de las sedimentarias consolidadas a sueltas (Figura 5), aquellas con características menos favorables para buenas porosidades totales primarias y porosidades eficaces, son precisamente el grupo de las lutitas (arcillolitas - limos) y las areniscas finas a muy finas, tipos de litologías predominantes en el proyecto evaluado. Se estima entonces que nos encontramos en general en unidades litológicas cuya tendencia es presentar bajos valores en los parámetros hidráulicos ya mencionados.

Estructura interna de la masa rocosa – estructural – geomecánica

Existe un aspecto que llama bastante la atención, y es que a pesar de que se estima que las unidades litológicas presentes en la zona de estudio no son tan favorables para permitir porosidades totales, efectivas y permeabilidades altas, se ha podido determinar a partir de las observaciones de campo y cartografías que los flujos de agua principales en los cruceros se encuentran ubicados o asociados a paquetes de lutitas potentes, además de las estructuras mayores principales como fallas. Esto lleva a pensar en la posibilidad de tener porosidades secundarias relacionadas con todo el sistema de discontinuidades presentes en la masa rocosa, asociada a esta litología, y que van desde fallas, juntas hasta la estratificación de la secuencia sedimentaria descrita en el sector. Lo cual, pese a las características propias de las rocas, podría facilitar las infiltraciones y flujo de agua de superficie a las excavaciones abiertas.

Dentro de las estructuras mayores principales identificadas en la zona se tiene la Falla la Mansa (Figura 6), es una estructura de dirección N-NW, buzando principalmente al este, aunque localmente se hallan planos de cizalla con buzamiento al oeste, se postuló para ella movimiento sinestrolateral en base a su relación con algunos cuerpos de forma lenticular, en esencia parece ser una falla normal. Presenta fuerte cataclasis en la mina el Roble y en la confluencia de la quebrada Chupadero y el río Atrato (Calle & Salinas, 1987).

Durante las campañas de caracterización y clasificación de la masa rocosa realizada (Figura 7), se define que la calidad de masa rocosa asociada a este paquete principal de lutitas negras carbonosas, que localmente están interdigitadas con algunas areniscas de grano fino a muy fino, se encuentra en un rango de los 21 a 30 RMR (Bieniawski, 1989) con promedio de 28 RMR, presentando intenso fracturamiento, mayor a 24 fracturas por metro cuadrado, y resistencias a la compresión simple (lecturas con esclerómetro) que pueden oscilar entre los 15 a 50 Mpa.

Las mismas también presentan algunas variaciones en calidad para un rango de 31 a 40 RMR (Bieniawski, 1989), y promedio 38 RMR, pero conservando su intenso fracturamiento y mejorando en aspectos como la resistencia a la comprensión uniaxial.

Los paquetes de poca potencia de areniscas finas a muy finas que se encuentran interdigitadas en menor proporción con las lutitas, por su parte, presentan una mejor calidad de masa rocosa, que de acuerdo con las caracterizaciones geomecánicas realizadas se estimó en un rango de RMR 41 a 50 (Bieniawski, 1989), con un valor promedio de 47 RMR, y rangos de resistencia a la compresión que pueden ir entre los 50 y 100 Mpa.

La data estructural analizada tanto al interior de las excavaciones como en superficie, presentan en las tendencias estructurales una relación consistente, en general los datos estructurales de los macizos y unidades litológicas de interés corresponden a estratificación de la secuencia sedimentaria, superficies de falla importantes, contactos entre unidades litológicas, además de familias de diaclasas de otro tipo. Se observa también que la disposición estructural de la estratificación, fallas y contactos en general corta de forma transversal o perpendicular al eje de las excavaciones.

De acuerdo con el análisis estructural realizado sobre los datos recolectados en el lecho de la quebrada Telly, se observan principalmente cuatro familias de discontinuidades o sets estructurales, Set 1 (N9E/90), Set 2 (N55W/72SW), Set 3 (N40W/53NE), y Set 4 (N80W/72SW) (Figuras 8 a la 10).

De acuerdo con estos resultados se aprecian dos tendencias principales de rumbo, N40-60W y otro N10- 20E (Figura 6), con buzamientos principalmente en tres direcciones, la de mayor tendencia al SW y en menor proporción al NE.

En general se observan sin material de relleno las discontinuidades (diaclasas) y con aberturas del orden de mm a cm, favoreciendo las potenciales infiltraciones del agua de escorrentía sobre estas unidades litológicas.

Al realizar el análisis estructural de los datos recolectados sobre las excavaciones abiertas se pudieron identificar 5 sets de discontinuidades principales tres correspondientes a estructuras mayores tipo fallas y estratificación de la secuencia, dos menores asociadas a otras familias de diaclasas o juntas (Figuras 11 y 12).

ν Set 1 84/90 (D/DD)/360/84 E-W (Azt/Buz), Set 3 89/256 (D/DD)/ 166/89 SW (Azt/Buz), correspondiente a estructuras mayores tipo fallas o superficies de falla subverticales, donde se encuentran asociados directa o proximalmente los flujos de agua más continuos y persistentes al interior de las excavaciones.

ν Set 4 62/262 (D/DD)/172/62SW (Azt/Buz), Set 5 60/94 (D/DD)/ 4/60SE (Azt/Buz) que en general corresponden a la disposición estratigráfica preferencial de las unidades litológicas en el sector.

ν Set 2 59/189 (D/DD)/ 99/59SW (Azt/Buz), asociadas a otro tipo de discontinuidades menores tipo juntas o diaclasas.

ν Dirección de las excavaciones N57E/Gradiente -1%.

Al realizar una comparación entre estos sets y los identificados en superficie, se puede notar una relación muy cercana entre las tendencias estructurales en Rumbo, NNW/SE y direcciones de buzamiento preferencial al SW, con algunas variantes al NE, resalta especial atención la relación marcada entre los Sets 1, de ambos análisis, NNE/N donde las estructuras se presentan de verticales a subverticales; estimando así que las tendencias estructurales se mantienen a lo amplio de los paquetes litológicos, tanto en profundidad como en superficie, lo cual podría estar indicando un potencial importante para la formación de una red de fracturamiento o fisuramiento, que estaría funcionando como una porosidad secundaria, que debido a la intensidad del fracturamiento del macizo rocoso o la frecuencia de este, facilitaría la porosidad efectiva y permeabilidad de las unidades y la consecuente infiltración y desplazamiento del agua, desde superficie a las excavaciones abiertas.

(Brunner, 2019) citado en (De la Cruz Paredes, 2021) “Los acuíferos fisurados, por el contrario, cuentan con la presencia de fracturas y juntas en rocas ígneas y metamórficas y permiten que el agua ingrese y se mueva a través de las formaciones”, el escenario en mención no solo se presenta en rocas de este origen, también sucede en rocas del tipo sedimentario como es el caso del presente estudio, que si sumamos a las calidades de masa rocosa bajas, con intenso fracturamiento, entre otros, nos llevan a concluir que si bien las características litológicas no son las más favorables para una buena permeabilidad, por el tipo de roca presente, si lo son para la conformación estructural litológica o de la masa rocosa.

Otro aspecto adicional para considerar y que fue identificado al momento de realizar la topografía de detalle y el levantamiento de la escorrentía principal en quebrada Telly, es que la disposición de las excavaciones respecto a la misma es paralela a subparalela, ubicándose en el eje de la microcuenca y no en la divisoria de aguas, casi siguiendo el eje de las excavaciones (Figura 13).

Ensayo con trazados salino

Para el proceso se empleó un trazador salino, en solución de cloruro de sodio. Es importante saber que este ensayo no es desarrollado con este tipo de trazador cerca de zonas costeras o yacimientos de tipo salinos como Halita, tampoco asociado a arcillas que puedan generar un intercambio iónico entre la solución y la roca circundante, adicionalmente es un trazador que puede ser identificado de forma directa o indirecta. El método que se empleará para tratar de identificar estas conexiones corresponde al de trazadores. “Existen multitud de trazadores, (solutos estables, partículas en suspensión, isotopos, etc.) lo importante es que sean fáciles de analizar en concentraciones bajas, que apenas estén presentes en el agua natural, que no alteren las propiedades del agua etc.” (Guimerá, y otros, 1996).

Metodología

En este proceso la experiencia continua de quienes laboran en la mina y sus observaciones cotidianas acompañadas con visitas al terreno para mapeos, cartografía y caracterizaciones, permiten inferir un escenario en el origen de la dinámica del agua que surge en los túneles, sin embargo, para tener más confiabilidad, es importante sustentar con otros parámetros de campo y laboratorio. Para ello, en este caso, el estudio se acompaña del ensayo de trazadores salinos con muestreos de agua para análisis hidrogeoquímico, antes de la aplicación del trazador y poder comparar con los resultados después de aplicar el mismo, contribuyendo a un mejor sustento técnico por medio de un laboratorio especializado, adicionalmente las estrategias para entrampar las aguas y realizar lecturas periódicas de otros parámetros fisicoquímicos en el campo, con constancia y persistencia por varios días, es de gran importancia como complemento.

Las observaciones de campo y el análisis relativo a la litología, disposiciones estructurales de las discontinuidades, dirección de las excavaciones con las microcuenca y escorrentía superficial en quebrada Telly, permiten dar un orden al proceso de implementación del método.

La secuencia de pasos empleados consistió en:

1. Definir puntos estratégicos de muestreo y seguimiento, con base en las observaciones directas de campo teniendo en cuenta aspectos como la litología, los rasgos estructurales observados a lo largo del cauce y su relación con las principales zonas de filtración en el túnel.

2. Con base a la observación de campo y análisis de las principales formaciones geológicas encontradas en la zona de estudio, se planeó la ejecución del ensayo de aplicación directa de solución de cloruro de sodio y los muestreos de apoyo para análisis hidrogeoquímico.

3. Muestreo de agua para análisis hidrogeoquímico en puntos estratégicos a lo largo de la corriente de agua superficial en quebrada Telly y en los puntos denominados aguacerales en el crucero del 2000 donde se presentan las mayores filtraciones.

4. Toma de muestras para análisis completo de iones mayoritarios (Cl-; SO4--; HCO3- + CO3; Na+; Mg++; Ca ++; Fe2o++), Ph, T, conductividad, alcalimetría, así como la medición de parámetros fisicoquímicos. Antes y después de aplicación del trazador.

5. Control de parámetros físicos como Ph, conductividad, temperatura, oxígeno disuelto en toda la red de monitoreo con sondas para este fin. Toma de datos directa en campo. Antes y después de aplicación del trazador.

6. Etapa 1: se procede con la ejecución del ensayo con el trazador salino, antes de la aplicación del mismo, se midieron los parámetros fisicoquímicos en la quebrada y en los aguacerales al interior del túnel, el ensayo con el trazador se realizó en coordenadas (N 0374496; O 0655533) con una dosificación inicial de 100 kilos por 500 litros de agua (agua captada de escorrentía sobre la quebrada).

7. Las lecturas posteriores a la aplicación del trazador de los parámetros fisicoquímicos se realizaron a intervalos continuos en tres puntos específicos, punto de vertimiento (N 0374484; O 0655537), primer punto aguas abajo (N 0374468 O 0655530), y segundo punto aguas abajo (N 0374457, O 0655504). En el túnel se determinaron varios puntos entre los aguacerales uno y dos para la medición de los mismos, en un promedio de cinco minutos durante una hora, tanto en la corriente superficial como en el túnel.

8. Adicionalmente se realiza el muestreo de aguas para enviar a análisis químicos, en el tanque, la quebrada y el túnel antes y después de aplicar el trazador, en los mismos puntos estratégicos definidos y donde se realizó el control permanente de parámetros fisicoquímicos.

9. Etapa 2: se procede con un segundo vertimiento de la solución de cloruro de sodio, con una dosificación de 200 kilos por 1,000 litros de agua (agua captada de escorrentía sobre la quebrada), con una diferencia de 7 días al primer vertimiento y se mantiene la misma metodología para lecturas de datos y muestreo de agua, en los mismos puntos estratégicos definidos desde el inicio del ensayo.

10. Las lecturas o control de parámetros fisico- químicos continuaron por un lapso de 14 días desde el primer vertimiento y se complementaron con muestreos químicos de agua una vez que se empezaron a notar cambios en el parámetro de conductividad de la misma. Los seguimientos fueron diarios, permanentes en intervalos de 3 horas en el día, se entrampan las aguas de infiltración para mitigar cualquier posibilidad de fuga de información al interior de los túneles.

Presentación de resultados

A continuación, se realizará un análisis de los parámetros medidos in situ, es decir, en los puntos específicos de la quebrada la Telly (punto de vertimiento, primer y segundo punto aguas abajo) y los aguacerales involucrados (aguaceral uno y dos) antes y después de la aplicación del trazador.

En general se espera que la conductividad aumente con el contenido de sólidos disueltos, por ello al aplicar la solución se buscar que los valores de fondo medidos antes del ensayo aumenten para la conductividad. Asimismo, esta puede variar con la temperatura y, por tanto, es necesario controlar de la misma forma este parámetro, para poder descartar que los cambios en la conductividad se deban a variaciones bruscas en la temperatura.

Se observa que en el entorno del ensayo las fluctuaciones de temperatura ambiente con respecto al agua de las surgencias detectadas en el cauce de la quebrada Telly e igualmente entre las surgencias directas en el túnel se encuentra por encima de los 16° C y por debajo de los 19° C (Figuras 14 y 15), lo que permite afirmar que los cambios de conductividad están altamente influenciados por las variaciones en concentración de iones al aplicar el trazador y no por intercambios iónicos asociados a fluctuaciones considerables en la temperatura.

En cuanto al PH se encontró una fluctuación entre 6.8 a 8.43, con una mayor frecuencia de valores próximos a 7 lo que indica que las aguas del cauce de la quebrada Telly tienden a ser neutras, y se detecta un leve ascenso después de inyectar el trazador salino en cercanías al vertimiento, lo cual se estima es normal, sin embargo, no son grandes las fluctuaciones en el pH, lo cual es de esperarse, así sin alterarse significativamente el PH original antes y después del trazador, este comportamiento también se mantuvo a lo largo del ensayo y mediciones en las surgencias al interior del túnel, exceptuando para algunas fechas posteriores a el segundo vertimiento donde sí se nota un leve incremento con un tope máximo de hasta pH 9, pero en general no se advierten cambios significativos (Figuras 16 y 17).

En relación con la conductividad eléctrica del agua, es sabido que esta aumenta en presencia de la sal o cloruro de sodio, las aguas salinas tienen conductividades eléctricas mucho mayores respecto a las aguas dulces, por sus contenidos de salinidad mayores, puntualmente se podría expresar como la capacidad del agua en transmitir la corriente eléctrica en función de las especies iónicas que contenga. Este parámetro siendo uno de los más importantes en las lecturas realizadas ya que se esperaba que al ingresar la solución de cloruro de sodio, la conductividad en el tiempo presentara aumentos a causa de estos iones de Cl y Na, pudiendo estas lecturas alerta de algún incremento en contenidos químicos de estos elementos.

“Se puede detectar la presencia de iones en una disolución acuosa midiendo la capacidad de la disolución para conducir corriente eléctrica. Esta capacidad depende de los iones que existen en la disolución, proveniente del soluto. El agua por sí misma no es conductora. Las disoluciones que no conducen corriente eléctrica corresponden a solutos no electrolitos; si la disolución conduce corriente eléctrica dando evidencia de una ionización alta del soluto, se clasifican como solutos electrolitos y si conduce relativamente poco, corresponden a solutos electrolitos débiles” (Umaña, 2021).

Por lo anterior estas disoluciones como solutos electrolitos débiles o no, están relacionados con los sólidos disueltos totales en las aguas naturales, así la conductividad en el agua natural es directamente proporcional a la cantidad y características de los electrolitos disuelto.

De la Figura 17, se aprecia, lecturas de conductividad obtenidas cerca al nacimiento y en varios puntos de muestreo aguas abajo, de izquierda a derecha.

Ll1 y Ll2 con valores de 31 a 37 μS/cm y pH entre 6.80 a 6.46, propio de aguas de reciente infiltración que se acidifican en contacto con la materia orgánica del suelo, con una temperatura que oscila entre 16.3 y 17.6 °C.

A partir del punto Ll3 la conductividad aumenta por encima de tres veces los valores de los puntos anteriores, hasta llegar a seis veces más de dichos valores aguas abajo (100 a 170 μS/cm), la tendencia es incrementar ya que aunque todas se han tomado de aguas surgentes sobre la quebrada, estas tienen más tiempo de residencia en el subsuelo respecto a las más frescas hacia el nacimiento, además de recoger varios flujos, lo que hace que estén más mineralizadas y se vayan enriqueciendo en elementos y sólidos disueltos, con pH muy cercano a 7, propio de aguas naturales subterráneas.

El punto Ll4 presentó un valor que se sale de la tendencia general, siendo siempre el más alto con valores de 284 μS/cm y, a su vez, presentó un valor diferente de pH de 8.3 lo que también puede deberse al cambio de litología que se observa en este punto, pasando de rocas silíceas de grano fino a lutitas negras altamente fracturadas.

Estas lecturas se toman en las primeras campañas como control inicial en varios puntos de la Quebrada, sin embargo, antes de iniciar con el ensayo del trazador se ratifica nuevamente, el día de la prueba, en los puntos estratégicos definidos y obteniendo nuevamente consistencia en los resultados (Figura 17).

Igualmente se realizan los controles al interior del túnel, como se observa en el análisis de resultados (Figura 19), en los controles iniciales, se obtienen lecturas variantes entre 205 y 401 μS/cm, lo cual indica valores de conductividad pertenecientes a aguas dulces propios de aguas naturales subterráneas y consistente con las lecturas de superficie sobre la quebrada Telly, los incrementos son bajos, considerando que son aguas que tienen un tiempo de residencia mayor entre las formaciones rocosas.

Asimismo, previo al ensayo se controlan los valores de conductividad, se observa una variación entre 474 y 625 μS/cm, que muestra un leve incremento respecto a las primeras lecturas de control, esto se estima que es normal y no representa una anomalía significativa, es el comportamiento natural del agua circulante, no se puede esperar un agua exactamente igual a otra y teniendo en cuenta que se muestrea en fechas diferentes.

Evolución de la conductividad después de la inyección del trazador

Una vez aplicado el trazador tanto en la primera inyección (100 kg de NaCl,/500 l de H2o) como la segunda (200 kg de NaCl,/1,000 l de H2o), se obtiene una respuesta casi inmediata en los puntos de control del túnel. Se aprecian los contrastes entre los valores iniciales de control y los valores posteriores al ensayo, tanto en el aguaceral 1 como en el aguaceral 2, la conductividad se incrementa en un porcentaje del 8% en el aguaceral 2 y del 30% en el aguaceral 1.

Los gráficos muestran un ascenso desde la primera medida con respecto a los valores de fondo en dos puntos de control del túnel (aguaceral 1 y 2). Se considera una respuesta rápida ya que al efectuar la medición de la conductividad se nota un incremento de la misma después de dos horas y media de haber iniciado el ensayo sobre el sector aguaceral 1 (Figuras 20 y 21).

Análisis hidrogeoquímico

Se tomaron una serie de muestras para realizar el análisis hidrogeoquímico y así verificar y complementar los resultados obtenidos con la medición de los parámetros de fondo tomados en campo.

Dentro de los análisis adicionales realizados están: Sólidos totales: solidos suspendidos y disueltos, relacionados con la presencia de los principales aniones inorgánicos tales como carbonatos, bicarbonatos, cloruros, sulfatos, fosfatos y nitratos, mientras que respecto a los cationes se tienen calcio, magnesio, sodio, potasio, amonio, entre otros.

Alcalinidad (CaCO3): asociada a la presencia de iones de carbonatos (CO3 2–) y bicarbonatos (HCO3 –) y en relación con los cationes Na+, K+, Ca+2 y Mg+2.

Sulfatos: aniones presentes en el agua; de forma natural (depósito natural de minerales o por precipitación atmosférica) o por efectos antrópicos relacionados con descargas de aguas industriales y fertilizantes.

Cloruros: aniones de cloruro disueltos en el agua, en forma natural, se presenta como un componente químico del agua, puede ingresar mediante el lavado o lixiviado de las precipitaciones sobre el suelo. Corresponde a uno de los aniones que aporta salinidad en el agua y uno de los elementos a rastrear en el presente análisis.

Hierro: se encuentra principalmente en las aguas freáticas, este elemento contribuye a que el agua sea dura.

Dureza total: la dureza del agua la constituyen todos los cationes polivalentes disueltos no obstante debido a la alta proporción de sales de Ca2+ y Mg2+ frente a los demás cationes, se suele asociar la dureza con contenidos en sales cálcicas y magnésicas.

Superficie quebrada Telly (Llorona)

Las muestras tomadas en la quebrada Telly y en el túnel fueron analizadas para los diferentes aniones, cationes y parámetros propios del agua, sin embargo, en el presente resumen solo se presentará lo relacionado con los cationes y aniones de sodio y calcio.

Al verter en la corriente superficial la solución, los aniones y cationes que más se deberían ver influenciados son los cloruros y el sodio como se muestra en las (Figuras 22 y 23), debido a que los cloruros están en las sales solubles en agua como cloruro de sodio (NaCl), al inyectar sal común a la quebrada se eleva la concentración de estos.

Asimismo, se realizó el análisis de algunos parámetros propios del agua, donde se presentó un aumento en la dureza total, alcalinidad total y los sólidos disueltos totales, todo esto debido a que aumentaron los iones presentes en ella. En el caso de la dureza total, se genera principalmente por el aumento de los iones de calcio y magnesio, igualmente, depende fundamentalmente de las formaciones geológicas que atraviesa.

Los sólidos disueltos totales incluyen las sales, los minerales y metales, todas las sustancias disueltas en el agua, al aumentar el contenido de sales, se da un aumento proporcional en estos.

La alcalinidad total no presenta aumento significativo al aplicar el trazador, esto es debido a su estrecha relación con el pH y este último no presento un aumento importante después de ser aplicado el trazador, como fue explicado en el análisis de los parámetros físicos, manteniéndose ambos parámetros equilibrados (Figuras 24 y 25).

Crucero NV 2000

Se realizó la toma de muestras antes y después de aplicar el trazador. Se envían a análisis de laboratorio para medir los mismos aniones y cationes, al igual que el análisis de algunos parámetros propios del agua, las muestras se toman el mismo día tanto para superficie como al interior del túnel de forma repetitiva en los mismos sectores ya definidos desde el inicio del ensayo.

Se presentan aumentos en la dureza total y los sólidos disueltos totales, tal como se evidencia en los resultados de superficie, los principales iones y cationes que dan la posible conexión entre la corriente superficial y las aguas que se filtran en el túnel corresponden como se ha manifestado a la presencia de cloruros y de sodio, donde de acuerdo con los resultados obtenidos se muestra un aumento de estos después de ser aplicado el trazador en las dos etapas, con tendencia al aumento de acuerdo con el volumen de la segunda fase de dosificación que fue mayor (Figuras 26 a la 28).

En general se aprecia con alta notoriedad que luego de la aplicación del trazador y, en especial, a partir de la segunda etapa, las concentraciones de cloruros se disparan hasta más del 800% respecto a las lecturas iniciales antes del trazador. En general, en los análisis químicos se nota que los contenidos de cloruros naturales en las aguas tanto superficiales como subterráneas se encuentran antes de la aplicación en rangos de los 10 a 20 Mg/L, aumentando drásticamente sus contenidos entre los 170 Mg/L y hasta los 400 Mg/L.

Respecto al contenido de sodio si bien su diferencia no es notoria en concentración como en el caso de los cloruros, si se aprecia una tendencia a aumentar luego de la aplicación del trazador, sin embargo, no es muy significativa. Debe considerarse que incluso en las pruebas de superficie sobre la quebrada este catión tampoco presente aumentos tan drásticos cuando se compara con los del cloruro, y esto a pesar de que la solución aún no se había infiltrado, presentando concentraciones originales de preparación para el ensayo.

Se presentó un aumento en la dureza total, alcalinidad total y los sólidos disueltos totales, todo esto debido a que aumentaron los iones presentes en el agua. En el caso de la dureza total, se genera principalmente por el aumento de los iones de calcio y magnesio. Asimismo, depende fundamentalmente de las formaciones geológicas que atraviesa.

Los sólidos disueltos totales incluyen las sales, los minerales y metales, todas las sustancias disueltas en el agua, al aumentar el contenido de sales, se da un incremento proporcional en estos.

La alcalinidad total no presenta aumento significativo al aplicar el trazador, esto es debido a su estrecha relación con el pH y este último no presento aumento importante después de ser aplicado el trazador, como fue explicado en el análisis de los parámetros físicos, manteniéndose ambos parámetros equilibra-dos (Figura 29).

La conectividad entre el flujo de agua superficial y subterránea es un aspecto notorio, ya que en la primera inyección del trazador le anteceden días de baja a nula pluviosidad, mientras que en la segunda inyección realizada el 30 de septiembre para un volumen de solución mayor, pero a la misma concentración (200 Kilos de sal por 1,000 litros de agua/salinidad de 200g/l), se producen lluvias de mayor lámina de agua el mismo día del ensayo, y posterior a esta segunda aplicación se notan con mayor fuerza los aumentos en concentraciones de cloruros y otros parámetros propios al interior del crucero en un lapso no superior a 7 días.

Con el análisis hidrogeoquímico realizado se valida la conexión hidráulica existente entre la corriente superficial y los aguacerales al interior de los túneles, y que se venía infiriendo a partir de los análisis litológicos, estructurales y por resultados de conductividad eléctrica, estimando que uno de los factores determinantes para que esto se dé es una red estructural intensa e interconectada en las masas rocosas del sector de estudio, que permiten la existencia de una porosidad secundaria efectiva y permeable en una masa rocosa fisurada.

Conclusiones y recomendaciones

1. Los valores de Ph y temperatura medidos durante el ensayo permanecieron relativamente estables lo que permite garantizar que las variaciones en la conductividad son debidas básicamente a la presencia de más iones en solución originados en la aplicación del trazador.

2. Los resultados de las mediciones de conductividad antes y después del ensayo han sido de gran utilidad por que reflejan un contraste notorio entre los datos de fondo y la data tomado durante el vertimiento del trazador, adicionalmente permite notar cambios en tiempo real, directo en campo, para realizar los muestreos y toma de muestras de agua para laboratorio casi de forma inmediata sin pérdida de información.

3. Las dos etapas de aplicación del trazador influenciaron en la presencia de cambios representativos en la conductividad del agua de los puntos de control en el túnel, lo que refuerza la idea de conectividad de los sistemas de fracturamiento y permite concluir que las recargas que se originen por precipitaciones en la microcuenca tendrán influencia directa en el túnel y, en especial, lo que pueda infiltrar directamente de la escorrentía superficial de la quebrada Telly (Llorona).

4. Los aportes de agua a las excavaciones no provienen exclusivamente de la escorrentía de la quebrada Telly, ya que hay muchos otros aspectos en el entorno, sin embargo, si hay un aporte y conexión entre estos puntos superficiales y subterráneos.

5. Con el análisis hidrogeoquímico realizado se valida la conexión hidráulica existente entre la corriente superficial y los aguacerales al interior de los túneles, y que se venía infiriendo a partir de los análisis litológicos, estructurales y por resultados de conductividad eléctrica.

6. Se estima que si bien las unidades litológicas presentes no son tan favorables para buenos procesos de permeabilidad, si se cuenta con un comportamiento estructural de la masa rocosa importante que permite tener formaciones fisuradas ideales para porosidades secundarias que facilitan la permeabilidad por conexión entre fallas, estratificación y discontinuidades menores.

7. Con el propósito de dar un tratamiento adecuado para lograr una mayor estabilidad de los túneles y durabilidad en los sostenimientos aplicados, es importante tomar medidas correctivas que mitiguen los flujos de agua hacia las excavaciones abiertas, como también en futuros frentes de explotación procurar tener presente un modelo hidrogeológico detallado y completo para definir con mayor asertividad la infraestructura y desarrollo a realizar y prever el comportamiento de la dinámica de flujo de las aguas superficiales y subterráneas, como sus caudales, que permitan preparar planes de control con antelación.

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