Introducción

La evaluación de la permeabilidad en rocas es fundamental en la ingeniería geotécnica, un método ampliamente utilizado para medir esta propiedad es el ensayo de permeabilidad Lugeon. Este ensayo proporciona información muy importante sobre la capacidad de una formación rocosa para permitir el flujo de agua y es esencial para la planificación y ejecución de proyectos subterráneos.

¿Qué es el Ensayo de Permeabilidad Lugeon?

El ensayo de permeabilidad Lugeon, es una técnica que mide la permeabilidad de una formación rocosa al agua. Se basa en la capacidad de la roca para absorber agua cuando se somete a presión

Importancia del Ensayo de Permeabilidad Lugeon

Por citar a Terzaghi, padre de la mecánica de suelos, en su obra “La mecánica de suelos en la Ingeniería Práctica” explica que el agua ejerce presión sobre el medio poroso que atraviesa (hormigón o roca), esta presión conocida como presión  de filtración puede llegar a ser muy alta, por ello en proyectos como presas o represas, la permeabilidad de la roca es un factor crítico.

Además podemos encontrar otras situaciones donde es necesario determinar la permeabilidad de un macizo rocoso:

• Diseño de Túneles y Excavaciones: La permeabilidad de la roca es un factor determinante en el diseño de túneles y excavaciones subterráneas. Conocer la permeabilidad ayuda a prevenir problemas de filtración de agua y a determinar las medidas de impermeabilización necesarias.

• Evaluación de la Estabilidad: La infiltración de agua en una formación rocosa puede debilitar su estabilidad. El ensayo Lugeon ayuda a evaluar el riesgo de colapsos y deslizamientos debido a la presencia de agua.

Proceso del Ensayo de Permeabilidad Lugeon

El ensayo Lugeon implica los siguientes pasos:

• Selección de la Ubicación: Se elige una sección representativa de la roca donde se realizará el ensayo.
• Perforación de Orificios: Se perfora un orificio en la roca, y se instala el packer o sello de presión.

• Inyección de Agua: Se inyecta agua a una presión constante en el orificio utilizando una bomba. La cantidad de agua inyectada se registra.
• Registro de la Presión y el Flujo: Se registran la presión de inyección de agua y el flujo de agua absorbido por la roca.

Un procedimiento de prueba común es aplicar tres presiones constantes, A, B, C (en orden ascendente) a la sección de prueba en un patrón A-B-C-B-A y medir el flujo en cada presión, siendo el valor “C” el de la máxima presión a la cual se va a ensayar, y los valores “A” y “B” un 0,50% y 0,75% del valor de “C” respectivamente

• Cálculo del Valor permeabilidad: esto se puede realizar aplicando las siguientes formulaciones extraídas del EARTH MANUAL – Bureau of Reclamation

Análisis de curvas caudal vs presión

Siempre que las pruebas se hayan realizado correctamente, la información obtenida es de gran importancia y de utilidad en la definición del régimen hidrogeológico del macizo y su fracturamiento, también en el diseño de trabajos de impermeabilización de las masas, cuando se considere necesario.

Los valores obtenidos permiten, por un lado, juzgar las características de permeabilidad del macizo y, en consecuencia, la necesidad de un tratamiento de impermeabilización y brindar información respecto al régimen de drenaje instalado.

Cuando hay proporcionalidad entre caudales y presiones, hay presencia de flujo laminar que, en el caso de macizos rocosos, es característica de discontinuidades poco abiertas o rellenas de materiales granulares, es el caso en la Figura 7.4a, que representa esquemáticamente el resultado de una prueba en la que las discontinuidades no tenían relleno o el relleno no era sensible a la percolación durante la prueba.

Hay casos, sin embargo, en los que la inyección de agua a presión provoca una obstrucción progresiva. de discontinuidades por arrastre de material (Figura 7.4b) y otros en los que el aumento de la presión provoca el arrastre de los materiales de relleno y, en consecuencia, el lavado de las discontinuidades (Figura 7.4c)

Cuando no hay proporcionalidad en la curva Q-P, estamos, en principio, en presencia de un flujo turbulento, y la curva obtenida es del tipo representado en la Figura 7.4d.

Sin embargo, este resultado puede deberse simplemente a la apertura elástica de la fractura como resultado de ciertos casos de alta presión de inyección.

El cambio de curvatura, como se representa en la Figura 7.4e, correspondiente a la situación de un aumento repentino en el flujo a partir de una cierta presión “Pc”, será representativo del fenómeno de fracturamiento hidráulico. Este fenómeno suele denominarse “claquage” y se asocia con creación de nuevas superficies de discontinuidad generadas por presiones de inyección crecientes

Fallas en el ensayo

El ensayo Lugeon es un método empírico para determinar la permeabilidad media de una sección de roca, y por lo tanto los resultados obtenidos deben ser, en general, tomados con cautela y por sobre todo extremar cuidados en la ejecución del ensayo para poder tener resultados correctos y representativos, a continuación se presenta una metodología para detectar una de las fallas más comunes.

Como detectar posibles fallas del packer(pérdida de la obturación)

a. Realizar las gráficas de Flujo vs tiempo y Presión vs tiempo, después de que el packer halla obturado el flujo debe ir disminuyendo progresivamente y la presión aumentando del mismo modo hasta estabilizarse

b. Aquí se puede detectar la falla más común, que es una fuga en el packer, generalmente causada por una fuga en la línea de aire( cuando el packer es de tipo inflable) y detectable inmediatamente por un aumento del flujo y caída de presión

c. Realizar el gráfico de Flujo/Presión vs tiempo, este gráfico debe ser consistente ya que de no ser así, tenemos una desproporción entre ambas magnitudes y es probable que se haya dado una fuga en los obturadores, en algún punto de las conexiones o la presencia de un flujo turbulento en el sistema .

TIPS VARIOS

• Usar un tanque de agua o “pulmón” entre la bomba y el sistema de medición de flujo y presión, a fin de evitar las oscilaciones en la presión del agua ocasionadas  por la bomba
• Si bien utilizar doble packer es más flexible debido a se puede ensayar cualquier sección que se desee en un pozo, es más difícil de detectar si existen fugas en el obturador inferior, por lo que usualmente se recomienda la versión simple de un solo packer
• Una forma de realizar comprobaciones sobre fugas o filtraciones a través del packer superior es observando el nivel del agua en el orificio sobre el obturador superior mediante una sonda de inmersión eléctrica convencional, que emite un tono agudo cuando los electrodos tocan el agua. Sujetar el cable de manera que el electrodo quede apenas fuera del agua, proporciona una alarma útil.
• La colmatación de las fisuras debido a la presencia de sedimentos en el agua es un peligro por lo que se debe extremar cuidado en utilizar agua limpia para la ejecución del ensayo

Fuentes

• EARTH MANUAL – Bureau of Reclamation, Third Edition, 1998
• IMPROVEMENTS IN THE LUGEON OR PACKER PERMEABILITY TEST. R. Pearson & M. S. Money. Geol. 1977
• Geologia de Engenharia. Cap 7. Ensaios In Situ
• Experiencia propia