Tipos y Clasificación de Acuíferos

Un acuífero es una formación geológica permeable que permite el almacenamiento y la circulación del agua subterránea, por ejemplo, un acuífero aluvial de gravas y arenas. Existen otros tipos de formaciones:

• Acuitardo: formación geológica medianamente permeable, como arenas limosas.
• Acuícludo: formación geológica impermeable con agua subterránea casi sin movimiento, por ejemplo, arcillas.
• Acuífugo: formación geológica impermeable sin porosidad, como granitos sanos y sin fracturar.

Clasificación de los Acuíferos según su Porosidad

• Acuíferos de porosidad intergranular (detríticos), por ejemplo, arenas y gravas.
• Acuíferos por fracturación (fisurados), como la mayoría de las rocas metamórficas y plutónicas.
• Acuíferos por disolución (kársticos), por ejemplo, carbonatos y evaporitas.

Factores que Influyen en el Comportamiento de los Acuíferos

• Importancia de la litología: Condiciona la porosidad y la permeabilidad y, por lo tanto, la capacidad de drenaje.
• Importancia de la estructura geológica y de la porosidad: Condicionan la capacidad de almacenamiento de agua subterránea.
• En acuíferos homogéneos e isótropos: El nivel freático, el flujo del agua subterránea y las zonas de recarga y descarga están condicionados por la topografía.
• En acuíferos heterogéneos: Están muy condicionados, además, por los cambios de permeabilidad del terreno (estratos de distinta permeabilidad).

Flujo en Medios Porosos: Potencial Hidráulico y Ley de Darcy

Concepto de Potencial Hidráulico

A pesar de la complejidad microscópica de los medios porosos, se han establecido leyes macroscópicas que tratan el medio como un continuo. Se utilizan tres parámetros fundamentales:

1. Permeabilidad
2. Porosidad
3. Coeficiente de almacenamiento

El potencial hidráulico en un punto de un acuífero es la altura que alcanza el nivel del agua respecto de un plano de referencia, cuando dicho punto se libera a la presión atmosférica (también se llama altura piezométrica o carga hidráulica). La capacidad para realizar trabajo por parte del agua en un punto del acuífero viene dada por la suma de las alturas de posición (z) y presión (p), es decir, por su nivel piezométrico o potencial. El potencial se mide mediante un piezómetro, que es un sondeo abierto solo en su parte inferior. En un sistema dinámico, el agua subterránea fluye de los puntos de mayor a menor potencial.

Ley de Darcy

En un medio homogéneo e isótropo y con flujo en régimen laminar, Darcy dedujo experimentalmente la ley que establece el movimiento del agua a través del medio poroso. Consideró un tubo de sección transversal A y longitud L, con una diferencia de niveles de agua entre la entrada y la salida de Δh. La velocidad del agua (v) se expresa como:

v = K * Δh / L = K * i

donde i es el gradiente hidráulico y K es la conductividad hidráulica o permeabilidad, que depende del medio poroso, la viscosidad y el peso específico del agua. El caudal (Q) se calcula como:

Q = v * A = K * A * i

Velocidad de Darcy y Velocidad Real

La velocidad de Darcy (Vd) se refiere a la sección total A del tubo acuífero (sólidos y espacios vacíos). Es una velocidad macroscópica medible. Sin embargo, el agua subterránea circula únicamente a través de los poros de las rocas. La velocidad real o efectiva (Ve) considera la porosidad eficaz (me):

Ve = Q / (A * me) = K * i / me = Vd / me

Es crucial distinguir entre estas dos velocidades. La velocidad de Darcy se usa para calcular caudales, mientras que la velocidad real, que puede medirse con trazadores, es relevante para el movimiento de sustancias disueltas, como contaminantes.

Parámetros Fundamentales de los Acuíferos: Porosidad y Permeabilidad

Los acuíferos, como sistemas físicos, deben su funcionamiento a la porosidad y la permeabilidad de las rocas.

Porosidad Total y Porosidad Eficaz

La porosidad total (mt) es la relación entre el volumen de huecos (Vh) y el volumen total (Vt) del medio:

mt = Vh / Vt

Esta definición se aplica tanto a rocas porosas como fisuradas. En las rocas porosas, influyen el tamaño, la forma y la disposición de los granos.

Permeabilidad (K) o Conductividad Hidráulica

Si en la fórmula de Darcy asumimos que A e i son iguales a 1, entonces Q = K. Por lo tanto, la conductividad hidráulica se define como el caudal de agua que se filtra a través de una sección de terreno de área transversal unitaria, producida por un gradiente hidráulico unitario. K depende de la temperatura del agua, que afecta el peso específico y la viscosidad. La permeabilidad K tiene la magnitud de una velocidad (cm/s o m/día).

Coeficiente de Almacenamiento (S) y Transmisividad (T)

Coeficiente de Almacenamiento (S)

Al bombear agua de un acuífero libre, el agua extraída proviene del drenaje de los poros (agua gravífica). La cantidad obtenida por unidad de volumen coincide con la porosidad eficaz. En acuíferos cautivos, entran en juego la compresión del terreno y del agua. El coeficiente de almacenamiento (S) es el volumen de agua liberado por un prisma vertical del acuífero saturado, ante un descenso unitario del nivel piezométrico. S considera los efectos elásticos del agua (S1) y del armazón del acuífero (S2).

Transmisividad (T)

La transmisividad (T) se mide más fácilmente que la permeabilidad en campo. Si en la ley de Darcy expresamos la sección transversal A como el producto de una longitud L por su altura b (A = b * L), la ley de Darcy se convierte en:

Q = K * b * L * i = T * L * i

La transmisividad se define como el caudal que se filtra a través de una franja vertical de terreno de ancho unitario y altura igual a la del manto permeable saturado, bajo un gradiente unitario y a una temperatura determinada. Sus dimensiones son las de una velocidad por una longitud. Es un parámetro que depende del material y de la altura de la capa saturada. Su uso es más frecuente que la permeabilidad.

Mapas de Isopiezas y Redes de Flujo

Mapas de Isopiezas

Las superficies equipotenciales suelen ser planos verticales. La superficie freática define el límite de saturación de un acuífero libre. Su intersección con una superficie piezométrica determina la línea equipotencial o isopieza, que indica su cota o potencia. Para dibujar las isopiezas, se utilizan pozos poco penetrantes. En acuíferos cautivos, la superficie piezométrica está por encima del techo del acuífero. Las líneas de corriente son normales a las isopiezas.

Redes de Flujo

Una red de flujo está constituida por líneas de corriente y equipotenciales que, en un medio homogéneo e isótropo en estado estacionario, forman una red ortogonal. El procedimiento más frecuente para construir redes de flujo se basa en dibujar cuadrados curvilíneos. Las redes de flujo permiten calcular caudales de filtración, entradas de agua a muros pantalla y túneles, y subpresiones.

Túneles y su Interacción con el Agua Subterránea

Los túneles actúan como grandes drenes en el macizo rocoso, lo que puede tener varias consecuencias:

• Disminución de la resistencia y estabilidad del macizo.
• Aumento de las presiones intersticiales sobre el sostenimiento y el revestimiento.
• Aumento de deformaciones, hinchamientos y reblandecimientos en materiales arcillosos.
• Disoluciones en materiales evaporíticos.
• Cambios mineralógicos por la presencia de agua.
• Problemas de avance en la excavación.
• Problemas de estabilidad por incremento de peso de los materiales.
• Meteorización de las rocas por cambio de humedad.
• Otros: licuefacción, erosión, colapsos, secado de manantiales e impactos ambientales.

Canteras y Graveras: Explotación de Recursos Pétreos

• Cantera: Lugar de donde se extrae piedra, independientemente del objetivo.
• Gravera: Lugar de extracción de áridos naturales, como gravas o arenas. No se incluyen desmontes de obras que se aprovechen.

Usos de la Piedra o Suelo

Construcción:

1. Bloques.
2. Sillares, sillarejos, mampuestos, adoquines, chapados de piedra.
3. Áridos gruesos o medios (hormigón, asfaltos, balastos).
4. Arenas (hormigones, morteros, asfaltos).
5. Arcillas y limos (núcleos de presas, industria del ladrillo).
6. Tierras y zahorras «generales» (presas, terraplenes, rellenos).

Industrial:

1. Cemento (calizas y margas).
2. Yesos y escayolas, alabastros.
3. Cerámicas (caolines para porcelanas, arenas para vidrios).
4. Cuarzos industriales. (No se incluye minería de carbón o metálica).

Tipos de Canteras según su Duración

1. Provisionales: Asociadas a una obra (por ejemplo, presas).
2. Intermitentes: Se explotan cerca de una obra lineal, según se requiera.
3. Fijas: Abastecen permanentemente una zona.

Procedimientos de Laboreo

• Mecánicos: Suelos de diferente compacidad y rocas muy fracturadas (palas, dragalinas).
• Voladura: Casi todas las rocas pétreas (jumbos, wagon-drills, compresores, líneas de aire comprimido, pegas eléctricas).
• Otros: «Rasgado» de cuñas, cortes por hilo, métodos antiguos (estereotomía para corte preciso de sillares).

Morfología de las Canteras

1. Rocas sedimentarias: Capas y bancos (calizas de páramo). Pueden ser capas inclinadas o masas «informes».
2. Rocas intrusivas: Masivas, sin ordenación estratigráfica. Limitadas por la alteración.
3. Rocas filonianas: Buscadas, poco abundantes. Filón de mejor característica que las salbandas. Canteras de cajero estrecho y alargado. Limitadas a veces por el nivel freático.
4. Depósitos sueltos:
   • Terrazas: 5-10 metros (terrazas antiguas), hasta 20 metros. Se exploran con catas, geofísica y sondeos. Explotación en retroceso (medioambiente).
   • Derrubios de ladera: Mantos poco espesos, extensos. Pedreras más o menos seleccionadas.
   • Morrenas: Grano variado. Aptas para todo-uno. Sin arcillas, con bloques métricos. Las de fondo pueden tener agua.
   • Dunas: Se explotan poco. (Ejemplo: arenas eólicas «fósiles» en Coca-Cuéllar).

Procedimientos de Estudio de Canteras

Estudios iniciales:

1. Plano petrográfico con «isleos» del material (1/10.000 o 1/50.000). Incluir accesos, aguas.
2. Comparaciones de calidades mediante inspección visual.
3. Cubicación visual de afloramientos.
4. Elección de emplazamientos (criterios empresariales: transporte, accesos, expropiaciones, poblaciones, nivel freático).

Estudios de detalle:

1. Análisis petrográficos.
2. Planos 1/1.000 o 1/500 (equidistancia 1 metro).
3. Levantamiento geológico de discontinuidades (para grandes bloques).
4. Rozas en contactos o calicatas eléctricas (para cubicación).
5. Sondeos, geofísica u otros (para estructura y muestras).
6. Definición del cubo explotable, frentes, accesos, drenajes, vertedero. Instalaciones, presupuestos, plan de explotación.
7. Plan de restauración (obligatorio). Con productos de cantera o residuos (impermeabilización, drenaje).

Presas y su Relación con el Terreno

La mayoría de las superficies que limitan un embalse son el sustrato geológico. El sustrato condiciona la forma del valle y el volumen embalsado. Algunos sustratos pierden agua y otros la devuelven. La cerrada es el lugar donde se ubica la presa, donde las curvas de nivel se acercan.

Tipos de Presa

A) De gravedad (rectas o en arco):

1. De fábrica.
2. De hormigón vibrado o compactado.
3. De sillería.
4. De materiales sueltos:
   • Homogéneas (con o sin pantalla impermeable).
   • Zonificadas (con núcleo o pantalla impermeable).

B) Bóveda: De hormigón vibrado.

Fuerzas actuantes: h (presión hidrostática), S (subpresión), W (peso de la presa).

Admisibilidad de una Presa

1. El cimiento (fondo y estribos) debe resistir sin romperse, además de la estabilidad al vuelco.
2. Mayores esfuerzos en presas de hormigón (bóveda o gravedad). En presas de materiales sueltos, los empujes se reparten.
3. Deformaciones admisibles: centímetros en presas de hormigón, decímetros en presas de materiales sueltos.
4. Estabilidad al deslizamiento garantizada (cohesión y ángulo de rozamiento). El empuje del agua tiende a deslizar la presa.
5. Comprobar deslizamiento con todas las juntas de discontinuidad desfavorables.
6. En presas de materiales sueltos, taludes estables (aguas arriba y abajo) frente al agua (desembalse rápido).
7. Evitar erosionabilidad interna en presas de materiales sueltos (limos).
8. Filtraciones bajo la presa (fondo y estribos) nulas o mínimas y controladas.

Admisibilidad del Embalse

1. Laderas estables (desembalses rápidos, evitar deslizamientos).
2. Laderas poco erosionables.
3. Vaso impermeable o con filtraciones mínimas.
4. Evitar contaminación del agua en embalses para abastecimiento.
5. Sismicidad inducida admisible.

Tipologías de Presas y Cimientos

• Cerradas estrechas (sustrato rocoso competente): Presas de fábrica, gravedad o bóveda.
• Cerradas anchas (peores terrenos): Presas de gravedad de materiales sueltos.

Estudios específicos por tipo de presa:

1. Presas de fábrica: Resistencia del cimiento y superficies de debilidad.
2. Presas bóveda: Presiones altas en cimiento y laderas.
3. Presas de materiales sueltos: Deformabilidad del cimiento y subpresiones.

Tipos de Rocas para Cimentación de Presas

• Rocas resistentes: Granitos, cuarcitas, calizas, basaltos, areniscas (presas de gravedad o bóveda).
• Rocas medianas: Margas, pizarras, esquistos, arcosas, conglomerados (presas de gravedad de hormigón o materiales sueltos).
• Rocas de baja resistencia: Arcillas, limos, arenas, gravas, yesos (presas de materiales sueltos).

La cimentación debe eliminar la zona meteorizada (menor resistencia, mayor permeabilidad). Se suelen realizar tratamientos de inyecciones (consolidación, cierre de juntas, impermeabilización) y drenaje (reducir subpresión). En presas de materiales sueltos con núcleo impermeable sobre cimiento permeable, se utiliza una pantalla de cemento-bentonita bajo el núcleo.