Alejandro Torrecillas GS Inima Enviroment
Daniel Santos Delgado Subterra Ingeniería
Manuel de Cabo Ripoll Subterra Ingeniería
En este artículo se exponen los principales aspectos del diseño y la ejecución de los pozos inmisario y emisario de la Desaladora de Atacama que constituye una infraestructura fundamental para asegurar el suministro de agua en esta región chilena. El proyecto es promovido por la Empresa Concesionaria de Servicios Sanitarios, ECONSSA Chile. El Consorcio formado por GS Inima y CVV resultó adjudicatario de la licitación en modalidad EPC + 2 años +1 opcional de O&M. La ingeniería de las obras geotécnicas para la captación de agua de mar y vertido de efluentes, así como el seguimiento y control de las mismas ha sido desarrollado por Subterra Ingeniería. Los túneles Inmisario y Emisario han sido ejecutados por Eurohinca.
El proyecto 'Planta Desaladora de Atacama' es una infraestructura clave que asegura el suministro de agua potable en una región caracterizada por un déficit hídrico severo. La capacidad de producción de la planta es de 1.200 litros/segundo de agua desalada facilitando el suministro a una población de más de 210.000 habitantes.
Foto 1. Brocal en pique Inmisario.
El proyecto completo consiste en la captación del agua de mar y descarga posterior de la salmuera por medio de túneles submarinos, el transporte a la planta desalinizadora, la producción de agua apta para consumo humano, las instalaciones eléctricas asociadas, el almacenamiento de la misma en un estanque de agua producto y la distribución del agua potable a los distintos puntos de abastecimiento de la población para las localidades de Caldera, Chañaral, Copiapó y Tierra Amarilla. Además, incluye la descarga de la salmuera al mar y la alimentación eléctrica de los distintos puntos de consumo.
La Planta Desalinizadora se localiza en el Norte de Chile, en el sector costero de la región de Atacama, área de Punta de Zorro, aproximadamente 3 km al poniente de la ciudad de Caldera. La Figura 1 muestra la localización de la actuación.
En cuanto a las obras de interés geotécnico, el proyecto implica las siguientes actuaciones:
La Figura 2 muestra una planta general de la actuación.
A continuación se exponen los principales aspectos del diseño y la ejecución de los pozos.
Las dimensiones de los pozos deben contemplar los siguientes aspectos:
En base a los condicionantes anteriormente expuestos se han definido las dimensiones de los pozos. El pozo emisario acoge la geometría estricta de un cilindro con las dimensiones comentadas anteriormente, 14 m de diámetro y 24,5 m de profundidad. En el caso del pozo inmisario la geometría es cilíndrica con 23 m de diámetro hasta los 19,5 m de profundidad cota a partir de la cual se prosigue la excavación con una planta cuasi paralepípeda de dimensiones 17,40 x 10,80 m y 6,4 m de profundidad. En las Figuras 3 y 4 se ilustra de la geometría de ambos pozos.
Figura 3. Planta y perfil Pozo Inmisario.
Figura 4. Planta y perfil Pozo Emisario.
El sector del litoral en el que se ubica la actuación se encuentra dominado por intrusiones gabroicas a monzograníticas de edad Triásica a Jurásica Temprana (Diorita Cuarcífera Añañucal, Monzogranito Puerto Viejo, Gabro Caldera y granodioritas Morro Copiapó y Cerro Chascón). Hacia el este se emplazan plutones dioríticos a granodioríticos del Jurásico Medio al Cretácico Temprano, distribuidos en tres franjas orientadas en dirección NNE-SSW.
El Proyecto se emplaza sobre el plutón Gabro de Caldera, con presencia de intrusiones de diques de diabasa, leucogranito, diorita y microdiorita.
Foto 2. Primeros pases de excavación y sostenimiento.
A partir del análisis de la bibliografía disponible y de las exploraciones efectuadas se han distinguido las siguientes unidades geológicas:
Foto 3. Pique Emisario vista emplazamiento.
Respecto a la tectónica y estructura, el control estructural de la zona se encuentra dominado por lineamientos de primer orden de orientación NW-SE y NE-SW. En áreas cercanas al proyecto se aprecian fallas normales con rumbo NE y buzamiento hacia el este.
Con objeto de estudiar a escala de afloramiento las juntas o diaclasas existentes en el macizo rocoso en el que se desarrollan los pozos, se han realizado un total de 8 estaciones geomecánicas en las inmediaciones. Para cada discontinuidad se han obtenido los principales parámetros que caracterizan la fracturación, concretamente: Rumbo y buzamiento; Espaciado entre planos; Continuidad de los planos de la discontinuidad; Rugosidad de la cara de la junta medida con el índice JRC; Apertura de la junta; Espesor y tipo de relleno; Presencia de agua. Para la agrupación de cada discontinuidad en familias se ha utilizado el programa DIPS, de Rocscience. Las medidas tomadas en campo se han representado mediante proyección estereográfica para obtener su distribución, a partir de la cual se obtienen, mediante análisis estadístico, isolíneas de densidad de polos. Posteriormente se obtiene, a partir de dichas concentraciones de polos, los polos medios que corresponden a las direcciones medias de fracturación. Las estaciones geomecánicas se han realizado en la unidad rocosa predominante, los Gabros de Caldera, en la que se excavarán principalmente los piques. En la Figura 7 se muestran los gráficos de polos obtenidos
A continuación se describe de forma general la geología detectada en cada uno de los piques.
El Pique Inmisario se excavará íntegramente en los Gabros de Caldera. En los primeros 12 metros, aproximadamente, los gabros se encuentra atravesados por una falla subvertical que afectará a la excavación del pique principalmente en su parte norte. En este tramo se estima que la calidad geomecánica será fundametalmente baja. El resto de la excavación del pique se excavará en gabros de calidad geomecánica media a buena, con un RMR estimado entre 55 y 65 puntos.
Foto 4. Vista cenital pique Emisario.
El Pique Emisario se excavará en los Gabros de Caldera y en las Dioritas Plutón Sierra Roble. En los primeros 5,5 metros, aproximadamente, los gabros presentan un grado de meteorización III-IV, por lo que se estima que en este tramo la calidad geomecánica será media a baja. A partir de esta profundidad, se ha detectado la intrusión de un dique de diorita subvertical con buzamiento hacia el norte – noroeste, que atraviesa el pique desde el sureste en la parte superior, hasta el noroeste en la parte final de la excavación. Aunque los diques de diorita pueden constituir una zona de debilidad, y en general esta unidad presenta principalmente una calidad geomecánica mala a muy mala, el dique de diorita detectado en el sondaje S-2, que atraviesa el pique Emisario, presenta una calidad geomecánica buena, con valores del RMR entre 70 y 80 puntos. Por tanto, el resto de la excavación del pique se estima que será excavada en un macizo rocoso (gabro con intrusión de dique de diorita) de calidad geomecánica media a buena, con un RMR estimado entre 55 y 65 puntos.
Cabe incidir en que la posición de los pozos ha sido rectificada respecto a aquella fijada en el proyecto referencial desplazándose hacia tierra en el caso del Inmisario, y hacia el mar en el caso del Emisario, con el objeto de evitar zonas de debilidad estructural del macizo rocoso.
En las Figuras 5 y 6 se muestran los perfiles geológicos de los pozos.
El campo de esfuerzos natural adoptado corresponde a una distribución del coeficiente se esfuerzo K0 de 1,0 en la dirección Este-Oeste y también en la dirección Norte-Sur.
Finalmente, el contexto hidrogeológico de la traza se encuentra conformado por la posición de una napa freática muy deprimida que queda holgadamente por debajo de las profundidades contempladas en el las obras geotécnicas del proyecto. Por otro lado el macizo rocoso es lo suficientemente impermeable para que no exista afección del nivel del agua de mar en el entorno de la actuación.
El Estudio Geotécnico consistió en el desarrollo de una campaña de terreno para realizar sondajes exploratorios con recuperación de testigos (no orientados), ensayos geofísicos y ensayos de laboratorio.
Foto 5. Retirada de escombro en profundidad.
Las actividades de caracterización geotécnica consistió en las siguientes actividades:
Las prospecciones geofísicas marinas realizadas fueron las siguientes:
Las prospecciones geofísicas terrestres realizadas fueron las siguientes:
Foto 6. Ejecución de bulones y retirada de escombro.
Una vez caracterizado los litotipos a nivel de roca intacta, el macizo rocoso se ha clasificado utilizando los criterios de valoración de Bieniawski, que proporciona el índice RMR (Rock Mass Rating) asimilándolo al GSI (Geological Strenght Index). A continuación se procede, para los diferentes rangos de calidad geomecánica establecidos, a la minoración de las propiedades de la roca intacta mediante las formulaciones de Hoek-Brown para parámetros resistentes y de Bieniawski-Galera (2005,2006) para los deformacionales.
Para realizar el ajuste del criterio de Hoek-Brown han efectuado las siguientes consideraciones:
Respecto a los parámetros mecánicos de las discontinuidades se ha considerado adecuado utilizar criterios de rotura basados en la estimación sistemática de diversos parámetros en campo, tales como la rugosidad (aplicando el índice JRC), resistencia de las paredes (índice JCS), y criterio de Barton y Choubey, en el que se tiene en cuenta el ángulo de fricción básico (Φb).
A continuación la Tabla I muestra los parámetros geotécnicos considerados en el diseño de los pozos.
Dada la geometría que presenta el pique y el contexto geotécnico del emplazamiento se considera que el método constructivo más apropiado es el de ejecución de pozo ciego mediante medios mecánicos y perforación y voladura.
Previo a la ejecución de los piques, y dada la irregularidad del terreno, se establece la necesidad de generar una plataforma de explanación, que permita generar unas condiciones de trabajo óptimas. En primer lugar y dado el poco espesor del material granular eólico (Estrato de caldera, Qec) que no debiera superar los 1,5 m de espesor en función de la testificación realizada en los sondeos, retirará este material mediante un equipo de excavación sobre orugas.
Foto 7. Vista cenital pique inmisario.
A continuación se desarrolla de manera detallada la secuencia del pique inmisario siendo muy similar a la del pique emisario:
El diseño del sostenimiento de una obra subterránea implica como primera operación la división del trazado en tramos homogéneos desde el punto de vista de su comportamiento tensodeformacional.
Foto 8. Perforación para voladura.
A continuación se procede a la definición de las secciones tipo de sostenimiento, para lo que se ha seguido una metodología progresiva, en el siguiente orden:
Foto 9. Vista 360º de un pase de avance.
Las Figuras 13, 14, 15 y 16 muestran el modelo y algunas de las salidas de cálculo obtenidas en el diseño del sostenimiento mediante el empleo del programa FLAC3D.
Se describen a continuación las secciones tipo de sostenimiento para el pique inmisario:
En la parte superior del pique existe un brocal o anillo rígido de 1,5 m de espesor conformado por hormigón fc 25 MPa reforzado con fibras.
Este refuerzo consta de los mismos elementos que la -ST-2, con la única diferencia que los bulones serán de 3 m, ya que la aplicación de este sostenimiento se realiza sobre la parte inferior del pique, sección reducida.
El diseño estructural de los piques también ha implicado el desarrollo de las estructuras de reacción a instalar tanto en el pique inmisario como en el emisario. Estas estructuras proveerán la reacción necesaria para la ejecución de los túneles mediante el método de la hinca. Las elevadas dimensiones de los pozos hacen que la solución simple de muro de reacción invadiría una gran superficie del pozo que quedaría inutilizada. Para evitar esto, se diseñó una estructura metálica formada por 4 montantes que reciben directamente la carga de los gatos y la transmiten al terreno ya si a través de un muro de reacción contra el sostenimiento y por ende contra el macizo de roca. Estos perfiles quedaran atados en cabeza por una serie de perfiles formando una H rigidizándolos y que permiten absorber cualquier desalineación de las cargas.
El monitoreo de las obras subterráneas resulta de vital importancia para poder asegurar y controlar su correcta ejecución.
Las incertidumbres asumidas en la fase de diseño en cuanto a la asignación de comportamientos tensodeformacionales y a la determinación de la estructura geológica del emplazamiento, hacen imprescindible un análisis de la información que se va obteniendo durante la propia construcción que permita verificar o en su caso ajustar lo determinado durante las fases anteriores de estudio.
Foto 10. Emboquille de túnel ejecutado mediante hinca.
Estableciendo un sistema de medición de los desplazamientos que se producen durante y tras la ejecución de una excavación, se puede comprobar la estabilización de la sección y, sobre todo, es posible comparar las medidas reales con las previsiones de los cálculos efectuados para, en el caso de que exista una divergencia significativa, adoptar las medidas correctivas oportunas.
Asimismo resulta de especial interés llevar a cabo un control exhaustivo de los movimientos que la construcción de las obras subterráneas proyectadas pueda inducir.
Considerando todo lo anterior se desarrolló y siguió un Plan de Monitoreo en el que se han definido las principales magnitudes a medir, los equipos necesarios para su control, la frecuencia de medición, los criterios de interpretación y, por último, un plan de contingencia.
El Plan de Monitoreo está basado en un control exhaustivo de la calidad geomecánica del frente y de los desplazamientos inducidos en el entorno de las excavaciones a efectuar y sobre las infraestructuras próximas a la actuación. Comprende el control de los siguientes aspectos:
Del diseño las obras geotécnicas en los pozos de la Desaladora Atacama se pueden extraer las siguientes conclusiones:
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