Martes 8 de julio de 2014

¿Qué es la Conductividad hidráulica?

Esta edición del blog aborda la pregunta ¿qué es la conductividad hidráulica? En el valor nominal, esta es una pregunta que se responde en la mayoría de los libros de texto de hidrogeología o aguas subterráneas. Pero para el ingeniero de aguas subterráneas en ejercicio, una cuestión más relevante es qué significa la conductividad hidráulica en nuestra vida laboral en proyectos de ingeniería. Eso es lo que abordará este blog.

DEFINICIONES DE CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA

Primero debe haber un punto de terminología. En el lenguaje geotécnico, la conductividad hidráulica a menudo se conoce como coeficiente de permeabilidad, más comúnmente acortado a permeabilidad. Esto a veces puede llevar a confusión en la terminología, como se mencionará más adelante.

En términos teóricos, la conductividad hidráulica es una medida de la facilidad con que el agua puede pasar a través del suelo o la roca: valores altos indican material permeable a través del cual el agua puede pasar fácilmente; valores bajos indican que el material es menos permeable. La conductividad hidráulica suele tener el símbolo k y tiene unidades de velocidad, por ejemplo, metros / seg o metros / día.

Un aspecto clave de la conductividad hidráulica es que existe un rango muy amplio de valores en suelos y rocas naturales, tal vez un rango de 10-2 m/s (para gravas y adoquines muy abiertos) a 10-11 m/s (arcillas sin fisurar o rocas masivas sin fractura). Este es un rango enorme, ¡un factor de mil millones! Este es un rango mucho mayor de lo que se esperaría para la mayoría de los otros parámetros geotécnicos, como la resistencia al corte o la compresibilidad.

También es importante darse cuenta de que la forma en que un fluido (como el agua) pasa a través de un suelo o masa rocosa depende no solo de las propiedades del suelo/roca, sino también de las propiedades del fluido permeable. Esto significa que un suelo o roca determinado se comportará de manera diferente si está permeado por diferentes fluidos, por ejemplo, agua o hidrocarburos (aceite). Es por eso que usar el término conductividad hidráulica es útil, porque está claro que el término se refiere al flujo de agua. El problema con el término «permeabilidad», ampliamente utilizado en ingeniería geotécnica, es que en otras industrias (como la industria del petróleo y el gas) se entiende que significa la «permeabilidad intrínseca», que es independiente del fluido permeable – la permeabilidad intrínseca tiene unidades SI de m2, aunque se describe comúnmente en Darcys (donde 1 Darcy = 1 x 10-12 m2) – y es un parámetro significativamente diferente a la conductividad hidráulica.

Incluso cuando se trata únicamente de agua como fluido permeable, las propiedades del agua pueden tener una influencia. La viscosidad del agua varía con la temperatura, por lo que la conductividad hidráulica también variará con la temperatura. Sin embargo, en la mayoría de los casos, el rango de variaciones de temperatura en los problemas geotécnicos es lo suficientemente pequeño como para que cualquier cambio resultante en la conductividad hidráulica pueda descuidarse razonablemente.

¿QUÉ SIGNIFICA CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA?

Al igual que muchos parámetros geotécnicos, la conductividad hidráulica es simple en concepto, pero tiene algunos aspectos muy complejos en la práctica, especialmente cuando se trata de obtener mediciones realistas o estimaciones de propiedades.

Matemáticamente, la conductividad hidráulica es en realidad un coeficiente en la ley de Darcy, que relaciona la velocidad del flujo de agua con el gradiente hidráulico bajo condiciones de flujo laminar. Esto es fácil de entender para el flujo a través de un bloque isótropo de medios porosos como se puede ver en un libro de texto, donde la conductividad hidráulica es la misma en todos los puntos (uniforme y homogéneo) y en todas las direcciones (isótropo).

Por supuesto, el flujo de agua a través de suelos o rocas es cualquier cosa menos homogéneo y rara vez es isotrópico.

En suelos, la estructura se compone de partículas minerales en contacto para formar el esqueleto del suelo, con una red de poros interconectados en el espacio entre ellos.

Vista idealizada de las partículas del suelo (en negro) y el espacio de poros circundante

El agua debe tomar un camino a menudo tortuoso a lo largo de poros irregulares entre las partículas. El uso de la ley de Darcy y el concepto de conductividad hidráulica se justifica por el «alejamiento» y el tratamiento de bloques de suelo como medios porosos relativamente homogéneos, pero es importante darse cuenta de que el flujo de agua subterránea en los suelos puede ser muy complejo a pequeña escala. El flujo puede complicarse aún más por la estructura del suelo o la tela, como capas, laminaciones o intemperie.

La forma en que el agua fluye a través de los poros de una masa de suelo a veces se denomina «permeabilidad primaria» o flujo intergranular. En contraste, en la mayoría de las rocas fracturadas, la principal forma en que fluye el agua subterránea no es a través de los espacios entre las partículas minerales que forman la roca (la masa de roca en sí tiende a tener una conductividad hidráulica muy baja). En su lugar, el agua debe pasar a lo largo de fisuras, fracturas o discontinuidades dentro de la masa rocosa. Este tipo de flujo a veces se denomina «permeabilidad secundaria» o flujo de fisura.

Vista idealizada de fisuras o fracturas en masa rocosa

Al igual que en los suelos, el flujo de agua a través de las rocas a menudo debe tomar un camino tortuoso a lo largo de fisuras irregulares, y nuevamente el uso de la ley de Darcy y el concepto de conductividad hidráulica se justifica por «alejar» y tratar los bloques de suelo como medios porosos equivalentes. Sin embargo, debe recordarse que el flujo de agua subterránea en roca fracturada puede ser muy complejo a pequeña, mediana y gran escala, especialmente cuando la dirección, la frecuencia y el ancho de apertura de la fractura están controlados por la estructura y las tensiones de la roca o cuando las rocas son solubles en agua (como tiza y calizas), donde las fisuras pueden haberse agrandado por milenios de flujo natural de agua subterránea.

¿POR QUÉ ES IMPORTANTE LA CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA PARA LOS INGENIEROS?

La conductividad hidráulica puede presentar un problema teórico interesante, pero ¿por qué debería preocupar a los ingenieros geotécnicos en ejercicio?

La respuesta obvia es que es un factor clave para determinar la necesidad de desagüe y control de aguas subterráneas. Por ejemplo, las excavaciones por debajo del nivel del agua subterránea en un suelo de alta conductividad hidráulica necesitarán más bombeo de deshidratación que las excavaciones en suelos de baja conductividad hidráulica. La mayoría de los libros de texto y documentos de orientación sobre el control de las aguas subterráneas relacionan la aplicabilidad de diferentes técnicas de deshidratación con la conductividad hidráulica de una forma u otra.

Una respuesta menos obvia es que, debido a que la conductividad hidráulica controla la velocidad de drenaje del suelo o la roca, tiene un impacto significativo en los problemas de estabilidad geotécnica (muros de contención, taludes, terraplenes, cimientos).

Si un suelo tiene una alta conductividad hidráulica, cuando se aplica una carga (tensión total) a un suelo, las presiones de agua porosa excesivas generadas por la carga se disiparán rápidamente. En la terminología mecánica del suelo, el suelo se comportará de una manera «drenada», con tensiones efectivas relativamente altas, que a su vez aumentan la resistencia al corte del suelo o la roca, haciéndola más fuerte. Por el contrario, si un suelo tiene una conductividad hidráulica baja, cuando se aplica una carga (tensión total) al suelo, el exceso de presión de agua porosa generada por la carga no puede disiparse rápidamente. En la terminología mecánica del suelo, el suelo se comportará de una manera «no drenada», con un alto exceso de presiones de agua porosa generadas por la carga aplicada, que luego se disipan lentamente con el tiempo (en algunos casos, tardan varios años o incluso décadas en disiparse). Las altas presiones de exceso de agua porosa dan como resultado tensiones efectivas bajas, lo que reduce la resistencia al cizallamiento del suelo o la roca, lo hace más débil y aumenta el riesgo de inestabilidad o falla.

La importancia de la conductividad hidráulica en los problemas de ingeniería geotécnica a veces se pasa por alto porque a menudo se «envuelve» dentro de otro parámetro, como el coeficiente de consolidación cv, que puede combinar la velocidad de drenaje (controlada por conductividad hidráulica) con otros factores.

ESTIMACIÓN DE LA CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA

Es claramente importante tener estimaciones realistas de la conductividad hidráulica para muchos problemas geotécnicos. Sin embargo, hay varias complicaciones con la estimación de la conductividad hidráulica.

• Las propiedades hidráulicas del suelo pueden variar de un lugar a otro en distancias cortas y pueden ser anisotrópicas (diferentes en diferentes direcciones).
• El tejido del suelo (capas, laminados, intemperie) y la estructura de la roca (fisuras, fallas, características kársticas) pueden afectar la conductividad hidráulica.
• El acto de perforar un pozo o de tomar una muestra puede perturbar el suelo o la roca y afectar el valor observado.
• la conductividad Hidráulica no se mide directamente. En realidad, los parámetros físicos (como los niveles de agua o los caudales) se miden directamente, y luego se calcula o interpreta la conductividad hidráulica. Esto significa que hay dos tipos de errores potenciales: errores en la medición de los datos brutos y errores en el cálculo de la conductividad hidráulica, especialmente si se utiliza un método de análisis que no es apropiado para las condiciones de prueba o muestra.

MÉTODOS PARA ESTIMAR LA CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA

Obtener valores realistas de conductividad hidráulica es difícil, pero aún vale la pena hacerlo, y debe ser una parte clave de las investigaciones geotécnicas.

Se pueden tomar varios enfoques diferentes para estimar la conductividad hidráulica:

• Evaluación visual: evaluar el tipo de suelo o la clasificación y, sobre la base de la experiencia o los valores publicados, estimar un rango aproximado de conductividad hidráulica.
• Correlaciones de tamaño de partícula-usando correlaciones empíricas para relacionar distribuciones de tamaño de partícula en suelos granulares con conductividad hidráulica.
• Pruebas de laboratorio – pruebas de permeámetros en muestras de núcleo.
• Pruebas de sondeo-Pruebas in situ (cabeza ascendente, cabeza descendente, cabeza constante) realizadas en sondeos durante la perforación o posteriormente en pozos de vigilancia.
• Pruebas de bombeo: bombeo controlado y cuidadosamente monitorizado desde uno o más pozos, registrando la reducción en el caudal bombeado de los pozos de observación.

Los métodos para estimar la conductividad hidráulica se describirán en blogs posteriores.