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Hydrogeological characterization of a highly fractured massif at different scales. Case study: The La Línea massif (Colombia)

Piña Fulano, Adriana Patricia (2018) Hydrogeological characterization of a highly fractured massif at different scales. Case study: The La Línea massif (Colombia). Doctorado thesis, Universidad Nacional de Colombia - Sede Bogotá.

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Resumen

The majority of the hydrogeological units in the world (75%) are fractured media, however, most of the approaches for their characterization are based on porous media theories. The complexity of the fractured media is related to the lack of knowledge about the geometrical structure of fractures that define flow and transport processes. Nevertheless, in the last years, the increase in underground activities has generated the necessity to properly evaluate their impacts, considering the complexity added by fractures. In this dissertation, the flow through fractured media is analyzed. To do so, the La Linea tunnels project is used as a real scale laboratory where different characterization tests have been performed. Tunnel act like a huge drain causing changes in the hydrogeological regime, alterations in the groundwater chemistry, drawdowns of the groundwater table, affecting sources and generating groundwater inflows within the tunnels. First, flow paths, recharge and discharge zones, the provenance of groundwater inflows within the tunnels, chemistry alterations and the evolution of the system to a new steady state is analyzed through hydrogeochemical and isotopic tools. Then, the hydraulics of the fractured massif was explored using two approximations: embedded Discrete Fracture Networks (DFN) and Equivalent Porous Media (EPM). Following the embedded DFN approach, the structural geology of the massif was analyzed based on outcrops and maps information. It allowed the estimation of the statistical parameters of the geometrical variables that define fractures and fracture networks, such as fracture lengths, apertures and, dips. It was explored the validity of the “likely” universal model of fracture length scaling (UFM) with the scarce information collected in the La Línea massif. Additionally, synthetic embedded DFN were generated to estimate groundwater inflows during the excavation of a tunnel. A synthetic case was used to define the numerical conditions to solve flow. Then, the Alaska fault zone was simulated obtaining groundwater inflows of the same order of magnitude than those recorded during the drilling of the tunnel. Results highlight the potential of DFN in the analyses of underground projects exploring the UFM model. The analyses of the fractured massif following the EPM approach consisted in the estimation of the hydraulic conductivity at different scales: from the laboratory to the regional scale. Air permeability in cores and the re-analysis of slug tests performed within the tunnels, followed by the built up and calibration of two numerical models of different size, based in the groundwater inflows recorded during pilot tunnels construction, were performed. This hydraulic characterization had never been performed in the Colombian geology and allowed the definition of the hydraulic conductivity field of the La Linea massif at different scales. Based on the collected information, a scale-dependence model for the hydraulic conductivity scaling based on power law concepts is proposed., Resumen: El 75% de las unidades hidrogeológicas del mundo corresponden a medios fracturados, sin embargo, la mayoría de las aproximaciones para su caracterización se basan en conceptos desarrollados para medios porosos. Su complejidad esta principalmente relacionada con la falta de conocimiento sobre la estructura geométrica de las fractures que definen los procesos de flujo y transporte. No obstante, en los últimos años el incremento de actividades subterráneas ha generado la necesidad de evaluar adecuadamente sus impactos, considerando la complejidad agregada por las fracturas. En este trabajo, se analiza el flujo a través de medios fracturados, utilizando los túneles de La Línea como laboratorios a escala real. Allí se llevaron a cabo diferentes ensayos para la caracterización del macizo ante las afectaciones causadas por estos. Los túneles funcionan como un gran dren que causa cambios en el régimen hidrogeológico, alteraciones en la química del agua subterránea, abatimientos del nivel freático y afectaciones sobre manantiales y generando importantes flujos de agua al interior de los túneles. Primero se analizan mediante herramientas hidroquímicas e isotópicas las direcciones de las líneas de flujo, se identifican zonas de recarga o de descarga, se investiga sobre el origen del agua infiltrada en los túneles, las alteraciones geoquímicas del sistema y la evolución a un nuevo estado estacionario. Luego, se explora la hidráulica del medio fracturado usando dos aproximaciones: las redes de fracturas discretas (DFN, por sus siglas en inglés) embebidas en una matriz porosa y los medios porosos equivalentes (EPM, por sus siglas en ingles). Siguiendo la aproximación de las DFN embebidas, se analizó la geología estructural del macizo a partir de información obtenida en afloramientos y mapas, se estimaron los parámetros estadísticos de las variables geométricas que definen las fracturas y las redes de fracturas, como lo son la longitud, la apertura y el buzamiento. Se exploró la validez del modelo universal de escalamiento de longitudes de fracturas (UFM) con la escasa información medida en el macizo de La Línea y se generaron DFN sintéticas para la estimación de los caudales de infiltración durante la perforación de túneles. Se utilizó un modelo sintético que permitió definir las condiciones numéricas del problema para resolver el flujo, y posteriormente se simuló la zona de falla Alaska, obteniendo caudales de infiltración del mismo orden que los medidos durante la perforación del túnel piloto. Estos resultados resaltan el potencial de la implementación de las DFN en el análisis de proyectos subterráneos, sumado a la universalidad del modelo UFM para representar redes de fracturas, aún con información escasa. Por otra parte, el análisis del medio fracturado siguiendo la aproximación de los EPM consistió en la estimación de la conductividad hidráulica a diferentes escalas: desde el laboratorio a la escala regional. Se estimó la conductividad en núcleos recuperados al interior del túnel, se re-analizaron pruebas hidráulicas y, se construyeron y calibraron dos modelos numéricos de diferente tamaño, a partir de los registros de infiltración tomados durante la construcción del túnel piloto. Esta caracterización hidráulica de un macizo fracturado nunca se había realizado para las condiciones de la geología Colombiana, y permitió la definición del campo de flujo de la conductividad hidráulica del macizo de La Línea a diferentes escalas. A partir de esta información, se propone un modelo para el escalado de la conductividad hidráulica basado en conceptos de leyes de potencia.

Tipo de documento:Tesis/trabajos de grado - Thesis (Doctorado)
Colaborador / Asesor:Donado Garzón, Leonardo David and Blessent, Daniela
Información adicional:Doctorado en Ingeniería. Línea de investigación: Ingeniería del Agua y del Medio Ambiente.
Palabras clave:Fractured media, Tunnels, Multivariate Statistical Analysis, Hydrogeochemistry, Discrete Fracture networks, Equivalent Porous Media, Numerical Modeling, Hydraulic Conductivity, Medios Fracturados, Túnel, Hidrogeoquimica, Análisis Estadístico Multivariado, Medio Poroso Equivalente, Redes de Fracturas Discretas, Modelación Numérica, Pruebas Hidráulicas, Conductividad Hidráulica
Temática:5 Ciencias naturales y matemáticas / Science
5 Ciencias naturales y matemáticas / Science > 55 Ciencias de la tierra / Earth sciences & geology
6 Tecnología (ciencias aplicadas) / Technology > 62 Ingeniería y operaciones afines / Engineering
Unidad administrativa:Sede Bogotá > Facultad de Ingeniería > Departamento de Ingeniería Civil y Agrícola
Código ID:70427
Enviado por : Adriana Patricia Piña Fulano
Enviado el día :04 Junio 2019 19:39
Ultima modificación:04 Junio 2019 19:39
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