Modelación analítica y numérica para predicción y calibración de caudales de infiltración en obras subterráneas – Túneles. Casos de estudio: Colombia, Francia/Italia y España.

Abstract

La cuantificación de los impactos en el ciclo hidrológico de terrenos montañosos causados por la construcción de obras subterráneas (túneles), presenta como principal fuente de incertidumbre el desconocimiento de las propiedades hidrodinámicas de los medios naturales. Una caracterización inadecuada de éstos conlleva a generar modelos conceptuales y numéricos no acordes con las características locales o regionales del medio y, en consecuencia, una estimación errónea del grado de afectación de los recursos hídricos durante la construcción. Con el uso de técnicas de modelación analítica y numérica, el hidrogeólogo puede realizar estimaciones de los caudales de infiltración y descensos del nivel piezométrico durante la excavación de un túnel. Sin embargo, la incertidumbre de los modelos estará limitada por la calidad de información y las suposiciones que se empleen. Ésta investigación (subdividida en tres partes) demostró que al tener una configuración e información geológica, hidráulica e hidrogeológica adecuada, los resultados pueden contribuir a evaluar el grado de afectación de la obra con varios escenarios de simulación. Antes de crear un modelo numérico se debe definir el modelo conceptual y realizar una caracterización hidráulica que permita cuantificar los parámetros hidrodinámicos del modelo. Sin lo anterior, los resultados no serán representativos con la realidad del problema. A partir de esta premisa se realizó una caracterización hidráulica (Packer Test, Slug Test, Pulso, bombeo a caudal constante) in-situ de 19 pruebas hidráulicas al interior de un túnel profundo (Túnel de La Línea – Colombia) encontrando que el diseño del pozo, el grado de fracturamiento de la roca y la presión hidráulica de los sondeos condiciona el tipo de ensayo a emplear. Una vez interpretadas las pruebas la variación de la conductividad hidráulica (K) está dada en seis ordenes de magnitud (10-5 – 10-10 m/s) clasificando el macizo en un medio de baja a moderada permeabilidad. En segunda medida, el modelador decide si emplea modelos analíticos que le permitan calcular la variación de los caudales con la excavación de un túnel profundo. En la literatura existen formulaciones matemáticas en estado estacionario que no son aplicables pues consideran el medio como un corte transversal con carga hidráulica constante. Una solución a esto es emplear expresiones en estado transitorio dependientes de los avances de excavación y propiedades hidrodinámicas del medio. Su utilización está limitada a las suposiciones empleadas por detrás. En general, el uso de estás ecuaciones se realiza de forma directa al predecir un caudal y son pocos los casos que se emplea la modelación inversa para calibrar los flujos observados en portales. Como solución a esto se desarrolló una herramienta de modelación analítica (TunWaterFlow V 1.0) para predecir y calibrar de caudales de infiltración ante la excavación de túneles profundos. Ésta herramienta basa su formulación en la expresión analítica de Perrochet y Dematteis [2007] para medios heterogéneos y permite realizar tanto modelación directa (conociendo los parámetros hidrodinámicos) como modelación inversa (conocimiento los caudales de infiltración) en transitorio, conociendo las tasas de excavación y configuración geológica del medio en capas verticales. Con su aplicación en tres casos de estudio (Túnel Piloto de La Línea – Colombia, Túnel exploratorio de Modane – Francia/Italia y Túneles de Pajares – España) en los que se presentaron flujos de infiltración superiores a 150 L/s se comprobó que la escala de los parámetros y considerar una carga hidráulica constante condiciona el grado de incertidumbre de predicción y calibración de los flujos durante la simulación. Se realizó un análisis de sensibilidad paramétrica al modelo, identificando que la conductividad hidráulica y los descensos son los parámetros más sensibles en la formulación y que a través de franjas de confianza, el modelador puede brindar una respuesta a la falta de información. Como última etapa, está investigación concluyó que las formulaciones analíticas en transitorio, no pueden simular los descensos progresivos y dependientes de los caudales de infiltración durante la excavación de uno o varios túneles. Lo anterior, puede ser resuelto empleando modelos numéricos que permitan definir condiciones de contorno, iniciales y mallas de elementos finitos estructuradas o no estructuradas, acordes con la geometría del túnel y complejidad geológica. Al realizar múltiples configuraciones de modelos bidimensionales (transversales y longitudinales) del Túnel de La Línea y el Túnel de Modane, y empleando un software comercial Feflow V6.2®, se logró comprobar que la malla empleada, la variación de las propiedades hidráulicas, los avances de excavación y las condiciones de contorno asignadas de tipo Dirichlet y dependientes del tiempo de simulación, condicionan el comportamiento de los descensos de la carga hidráulica y los caudales infiltrados para uno o múltiples túneles al tener aportes y afectación mayor en las zonas más permeables.

Abstract. The quantification of impacts on the hydrological cycle in mountainous terrain, caused by the construction of underground works (tunnels), presents as the main source of uncertainty, lack of knowledge of the hydrodynamic properties of natural media. An inadequate characterization of these, leads to generate conceptual and numerical models no consistent with local or regional characteristics of the medium and therefore a misjudgment of water resources involvements degree during construction With the use of analytical techniques and numerical modeling the Hydrogeologist can make estimations of the infiltrations flows and drawdowns of groundwater level during the excavation of a tunnel. However, the uncertainty of the models will be limited by the quality of information and assumptions used. This research (subdivided into three parts) showed that having a configuration and geological, hydrogeological and hydraulic adequate information, the results can help assess the involvement degree of the work with several simulation scenarios. Before creating a numerical model, the conceptual model must be defined with a hydraulic characterization that allows to quantify the hydrodynamic model parameters must be performed. Without this, the results will not representative with the reality of the problem. From this premise a hydraulic characterization (Packer Test, Slug Test, Pulse, pumping at a constant flow) in-situ of 19 hydraulic tests inside a deep tunnel (La Línea Tunnel - Colombia) was performed finding that the design of the well, the degree of fracturing of the rock and the hydraulic pressure of the boring determines the type of test to be used. Once the tests were interpreted the variation of the hydraulic conductivity (K) was given in six orders of magnitude (10-5 – 10-10 m / s) classifying the massif in a medium of low to moderate permeability. In a second step, the modeler decides if he uses analytical models which allow him to calculate the variation of the flows with an excavation of a deep tunnel. In the literature there are steady state solutions which are not applicable because they consider the environment as a cross section with constant hydraulic load. A solution to this is to employ solutions in transit states which dependent on the progress of excavation and hydrodynamic properties of the geological media. Its use is limited to the assumptions used behind. In general, the use of these equations is performed directly by predicting flow and there are few cases in which the inverse modeling to calibrate flows observed in portals is used. As a solution to this, an analytical modeling tool (TunWaterFlow V 1.0) was developed to make the prediction and calibration of the infiltrations flows caused by the digging of deep tunnels. This tool bases its formulation in the analytical expression of Perrochet y Dematteis [2007] for heterogeneous media and allows both direct modeling (knowing the hydrodynamic parameters) as inverse modeling (knowledge flows infiltration) transient, knowing excavation rates and geological configuration in vertical layers. With its use in three study cases (“La Línea Pilot Tunnel” - Colombia, “Modane” exploratory tunnel - France / Italy and Pajares Tunnels - Spain) which showed flows with greater infiltration than 150 L / s was proved that the scale of the parameters and consider a constant hydraulic load, determines the uncertainty degree of prediction and calibration of flows during the simulation. Parametric sensitivity analysis was performed to the model, identifying that the hydraulic conductivity and the drawdowns are the most sensitive parameters in the formulation and that through confidence boundary’s the modeler can provide an answer to the lack of information. As a last step, this research concluded that transient analytical formulations cannot simulate the progressive’s drawdowns that are dependent of the infiltration flow during the excavation. This can be solved by using numerical models to define boundary conditions and initials, a finite element mesh that is structured or unstructured, in accordance with the geometry of the tunnel and geological complexity. When performing multiple configurations of two-dimensional models (transverse and longitudinal) of the “La Línea tunnel” and “Modane tunel”, and using the commercial software (Feflow V6.2®), it was possible to verify that the mesh used, the variation of hydraulic properties, the excavations advances and boundary conditions assigned (Dirichlet) and time-dependent simulation, determine the behavior of the hydraulic load decreases and flow rates reported for one or multiple tunnels, having greater involvement and contributions in the more permeable zones.

Résumé. La principale source d'incertitude, lors de la quantification des impacts sur le cycle hydrologique en terrain montagneux, causée par la construction d'ouvrages souterrains (tunnels) est la méconnaissance des propriétés hydrodynamiques des milieux naturels. Une caractérisation inadéquate de celles-ci conduit à générer des modèles conceptuels et numériques incohérentes avec les caractéristiques locales ou régionales du milieu. L’estimation du degré d'affectation des ressources hydriques pendant la construction sera, par conséquent, erronée. Avec l’utilisation de techniques analytiques et numériques, l’hydrogéologue peut estimer les flux infiltrés et le rabattement du niveau piézométrique avant l’excavation du tunnel. Cependant, l’incertitude des modèles sera conditionnée par la qualité des données disponibles et les suppositions utilisées. Cette recherche (subdivisé en trois parties) a montré qu'en ayant une configuration et une information géologique, hydraulique et hydrogéologique adéquate, les résultats peuvent aider à évaluer le degré d'affectation de la construction avec plusieurs scénarios de simulation. Avant de commencer et de réaliser un modèle numérique, il est nécessaire de définir le modèle conceptuel et d'effectuer une caractérisation hydraulique pour quantifier les paramètres hydrodynamiques du modèle. Sans cela, les résultats ne sont pas représentatifs de la réalité du problème. A partir de cette prémisse, une caractérisation hydraulique in situ a été réalisée. Dix-neuf tests (Packer test, Slug test, Pulse, Pompage à débit constant) ont été réalisés à l'intérieur d'un tunnel profond (Tunnel de La Línea - Colombie). Il a été constaté que le design du puits, le degré de fracturation des roches et la pression hydraulique des sondages déterminent le type de test à utiliser. Une fois interprétées, il a été trouvé que la variation de la conductivité hydraulique (K) est de six ordres de magnitude (10-5 – 10-10 m / s) en classifiant le massif comme un milieu de perméabilité faible à modéré. Dans un deuxième temps, des modèles analytiques pour calculer la variation des flux dans un tunnel profond ont été utilisés. Il existe dans la littérature, des solutions d’état stationnaire qui ne sont pas applicables, car elles considèrent le milieu hétérogène comme une section transversale avec une charge hydraulique constante. Une solution est d’utiliser des formulations d’état transitoire qui dépendent de l'avancement des travaux d'excavation et des propriétés hydrodynamiques du milieu. Son utilisation est limitée aux hypothèses qui sont formulées. En général, ces équations sont utilisées pour prédire le flux infiltré et rarement pour réalisation une modélisation inverse et calibrer les écoulements observés aux portails. Un outil de modélisation analytique (TunWaterFlow V 1.0) a été utilisé pour la prédiction et le calibrage des débits infiltrés qui sont provoquées par le percement du tunnel profond. Cet outil base sa formulation dans l'expression analytique de Perrochet y Dematteis [2007] pour les milieux hétérogènes. Il permet à la fois faire la modélisation directe (à partir des paramètres hydrodynamiques) et inverse (à partir des flux infiltrés) transitoire, en connaissant la vitesse de progression du forage et la configuration géologique qui est simplifie en multicouches subvertical. Avec son utilisation dans trois études de cas (Tunnel Pilot de La Línea – Colombie, Tunnel exploratoire de Modane – France / Italie et Tunnels de Pajares – Espagne) qui ont reportés des flux infiltrés supérieure à 150 L / s, il a été constaté que l'échelle des paramètres et une charge hydraulique constante, déterminent le degré d'incertitude de la prédiction et le calibrage des débits au cours de la simulation. Par ailleurs, une analyse de sensibilité paramétrique a été réalisée pour le modèle où la conductivité hydraulique et les rabattements sont les paramètres les plus sensibles de la formulation et que grâce à des bandes de confiance, le modélisateur peut fournir une réponse à l'absence d'informations. La recherche a finalement conclu que les formulations analytiques transitoires ne peuvent pas simuler les diminutions progressives des rabattements qui dépendent du flux infiltré pendant l'excavation. Ceci peut être résolu en utilisant des modèles numériques qui définissent les conditions de contour initiales et grâce aux mailles d’éléments finis ou non permettent de modéliser la géométrie du tunnel et la complexité géologique du milieu. De multiples configurations de modèles à deux dimensions (transversales et longitudinales) du Tunnel de La Línea et du Tunnel de Modane ont été exécutées en utilisant le logiciel commercial Feflow V6.2®. Les modèles ont permis de vérifier que la maille utilisée, la variation de las propriétés hydrauliques, le progrès d’excavation et les conditions de contour de type Dirichlet qui dépendent du temps de simulation. Il en conditionnant le comportement des rabattements de la charge hydraulique et les débits infiltrés par un ou multiples tunnels dans les zones plus perméables.