Cuando la presión hidráulica que actúa sobre una discontinuidad específica en el macizo rocoso que rodea el tapón o que actúa sobre la interfase entre el concreto del tapón y el macizo rocoso excede la tensión principal mínima que actúa sobre la discontinuidad o la interfase, las fracturas naturales existentes podrían abrirse (mediante levantamiento hidráulico) o podrían formarse fracturas nuevas debido esfuerzos de tracción inducidos generados en la roca en esas zonas (fractura hidráulica). Por lo tanto, una vez que se construye un tapón, si se proporciona una fuente de agua constante al macizo rocoso aguas abajo del tapón (e.g., un depósito de relaves), entonces, bajo condiciones adversas esta presión contínua podría causar que se formen fracturas hidráulicas a lo largo de cualquier vía de acceso sin restricciones a través del macizo rocoso a lo largo de la interfase en la que los esfuerzos in situ no bastan para evitar la formación de fisuras (e.g., si no hay suficiente cobertura de roca sobre el emplazamiento del tapón).
Puede ser necesario determinar los esfuerzos in situ, el módulo de la roca y la posición de la napa freática mediante métodos geológicos y experimentales apropiados.
A. Regla empírica
El espesor de la capa de rocas sobre el tapón debe ser por lo menos la mitad de la presión hidráulica estática dentro del túnel. No obstante, esta regla no es válida para túneles cercanos a laderas, paredes de valles o donde las condiciones geológicas tienen como resultados bajos esfuerzos in situ. Para estas
estructuras, pueden necesitarse mediciones de los esfuerzos estructurales in situ (e.g., técnicas de overcoring (sobreperforado) o ensayos de fractura hidráulica realizados en agujeros de perforación).
En áreas de clima tropical húmedo y donde hay potencial de levantamientos sobre planos horizontales (e.g., planos de estratificación o combinaciones de juntas), puede aplicarse la siguiente ecuación:
(2.9) dónde:
Hr = altura de la roca sobre el túnel (m); γr = densidad de la roca (t/m3
);
Hs = altura del suelo sobre el túnel (m); γs= densidad del suelo (t/m3
); y
Hw = presión hidráulica estática máxima (m)
La ecuación que antecede incluye un factor de seguridad de 1,3 contra levantamientos sobre planos horizontales.
B. Fractura hidráulica – criterio noruego
En muchos casos, el criterio noruego para túneles presurizados no revestidos también puede aplicarse para verificar el asiento del tapón respecto a la estabilidad general contra la fractura hidráulica. Típicamente, estas directrices requieren que la presión hidrostática máxima deba ser menor que la tensión principal mínima de la roca, reducida por un factor de seguridad definido. Esto significa que una cubierta adecuada de roca/recubrimiento siempre debe estar disponible en el emplazamiento del túnel/tapón para garantizar que no ocurra una fractura hidráulica hacia la superficie.
Esto puede estimarse usando un criterio desarrollado en Noruega que es ideal para topografía inclinada (Bergh-Christensen, 1988). La práctica anterior sugiere un Factor de Seguridad mínimo de 1,3 contra este tipo de propagación de fractura.
El criterio noruego de fractura hidráulica puede expresarse de la siguiente manera:
(2.10) dónde:
CRM = Cubierta mínima de roca medida desde el túnel en sentido oblicuo al punto más cercano en la superficie del terreno (i.e., distancia mínima con la superficie) (m)
hs = Presión hidrostática de diseño (m) γw = Peso unitario del agua (MN/m3) γr = Peso unitario de la roca (MN/m3)
β = Angulo de pendiente promedio de la ladera (varía con la pendiente)
FS = Factor de seguridad, debe aplicarse un mínimo de 1,3.
Figura Nº 06: Representación esquemática del criterio noruego para confinamiento (según Bergh-Christensen, 1988)
Este criterio es válido para pendientes de valles hasta de 60°. En el caso de pendientes más empinadas, se requieren mediciones de los esfuerzos in situ (Benson
1989, Lang, 1989). La aplicación de este criterio para un túnel o pique no revestido requiere que se cumplan los cinco criterios que se mencionan a continuación:
Baja permeabilidad del material rocoso (e.g., conductividad hidráulica < 10-7 m/s a 10-8 m/s, i.e., por lo general, una masa rocosa masiva o con diaclasamiento escaso). (Nota:
Es necesario comprender las condiciones geológicas y la variación de la permeabilidad de la roca en las inmediaciones del emplazamiento del tapón y en el área del macizo rocoso superpuesto).
Baja permeabilidad de las juntas y fracturas. Puede aplicarse inyecciones al atravesar una zona de fallas o zona rellena de arcilla (o veta de arcilla) para evitar eliminar el relleno. (Nota: Es importante tener un conocimiento general de las características hidrogeológicas del macizo rocoso para evitar vías de filtración que eludan el sistema de inyecciones).
Los esfuerzos in situ e inducidos deberán ser suficientemente altos para evitar la deformación y abertura de las juntas (levantamiento hidráulico). El tapón debe ser lo suficientemente “profundo” para garantizar que haya suficiente presión de roca para soportar la presión hidráulica aplicada.
Debe existir un macizo rocoso duradero (roca que generalmente es dura y con alta rigidez). A menos que sea inevitable, los tapones no deben estar ubicados en rocas calcáreas en las que puedan presentarse fenómenos kársticos).
El emplazamiento del macizo rocoso debe ser ideal para la construcción del tapón (e.g., RMR > 60, y usualmente con rocas silíceas cristalinas, tales como granito, gneis, peridotita, arenisca cuarzosa, esquistos de hornblenda o similares).
Estos requisitos pueden usarse como referencia al diseñar un tapón, por ejemplo cerca al área del portal de un túnel o la rampa de acceso.
En aquellos casos en que la condición geológica en los que puede haber levantamiento hidráulico lateral a lo largo de fracturas verticales abiertas que permitan filtraciones excesivas hacia la superficie, colocar el tapón usando este criterio de cobertura puede resultar inseguro. Una vez más, resulta fundamental conocer los esfuerzos existentes en el campo, el módulo de la roca y cualesquier variaciones en la permeabilidad de la roca, así como datos sobre la posición de la napa freática (Benson, 1989).
C. Consideraciones para tapones que contienen relaves
Cuando se va a colocar un tapón debajo de un reservorio o depósito de relaves lleno, entonces la presión contribuyente del agua o del lodo debe tenerse en cuenta en forma adicional a la presión de la roca (coberturas) para estimar el posible levantamiento hidráulico. Esta presión adicional debe añadirse al numerador del criterio noruego, según se ilustra más adelante. Nota: (Este enfoque ha sido aplicado en los proyectos mineros de Antamina y Caribou).
FS = Relación de la presión efectiva del material de cobertura para la cobertura mínima, en este caso la cobertura de roca más el peso flotante del relleno de rocas de la presa.
(2.11) dónde:
CRM = Cobertura mínima de roca medida desde el túnel en forma oblicua al punto más cercano sobre la superficie del terreno (i.e., la distancia mínima hasta la superficie) (m)
hs = Presión hidrostática de diseño (m), para este caso puede asumirse para toda la presión hidrostática del reservorio lleno
γw = Peso unitario del agua (MN/m3) γr = Peso unitario de la roca (MN/m3)
β = Ángulo promedio de pendiente de la ladera (varía según el relieve).
hD = Altura del relleno o relaves de la presa sobre la superficie del lecho rocoso.