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7.7ANÁLISIS DE CUÑAS

Con base en la caracterización geotécnica, en el túnel 7 se ha individualizado solo una familia de discontinuidades por lo que no es posible realizar análisis de cuñas. En la Tabla 7.se encuentran los datos de la familia de discontinuidades encontrada tal y como se presenta en el capítulo 6 del presente documento.



Tabla 7.Orientación de las discontinuidades.

Orientación de familias de discontinuidades

Familia de discontinuidades

Buzamiento (º)

Dirección del buzamiento (º)

1

89

351


8.ESTUDIOS DE IMPERMEABILIZACIÓN DE LOS TÚNELES




8.1IMPERMEABILIZACIÓN

Los estudios de impermeabilización de los túneles se llevan a cabo en lo referente a las aguas subterráneas de los macizos, su circulación, su condicionamiento geológico y su criterio de captación, así como la relación existente con el ciclo hidrológico y su posible modificación al inicio y durante las obras; todo lo anterior basado en la extrapolación de información secundaria y conocimiento de la zona donde se emplazará el Proyecto e información primaria.


En el tomo VIII del presente Volumen (Estudio y Diseño de túneles) se encuentra el Estudio de Hidrogeología para todos los túneles del Tramo 1 – Sector 1 y en el cual se pueden consultar los detalles de la hidrogeología del sector. Dentro de las actividades consideradas en el estudio se encuentran:


  1. Inventario general de puntos de agua subterránea (pozos, aljibes y manantiales). El inventario se deberá sólo hacer sobre puntos de agua subterránea.

  2. El tipo o los tipos de acuíferos presentes en el área de influencia de los túneles.

  3. Direcciones preferenciales de flujo.

  4. Principales zonas de recarga y descarga.

  5. Previsión de infiltración que podría ocurrir dentro del túnel durante la fase de construcción y operación.

  6. Niveles freáticos, direcciones de flujo, influencia de la construcción del túnel en las condiciones generales del agua subterránea (zonas de recarga).

  7. Unidades hidrogeológicas que intervienen en el proyecto. Igualmente se identifican las unidades que tengan conexión hidráulica con fuentes de agua superficiales.

  8. Vulnerabilidad a la contaminación de las aguas subterráneas por las actividades del proyecto (combustibles, materiales residuales, derrame de sustancias tóxicas, entre otros).

El estudio hidrogeológico, incluye los levantamientos hidrogeológicos en la zona superior al trazado del túnel, un inventario preliminar de las fuentes superficiales y subterráneas, una estimación de la dinámica de aguas subterráneas y las previsiones sobre infiltraciones que podrían ocurrir hacia el túnel durante la excavación, soporte y operación del túnel. Todas las actividades se enfocan a complementar de la mejor manera posible el modelo hidrogeológico, en forma tal de obtener un producto que permita valorar en términos probabilísticos los potenciales impactos que sobre los recursos hídricos subterráneos y superficiales puede tener la construcción de los túneles.


8.2GENERALIDADES DEL SISTEMA DE DRENAJE




8.2.1Introducción

Para el drenaje de los túneles se han considerado las siguientes fuentes de agua:




  • Agua procedente de la infiltración de agua: Esta agua es captada durante toda la construcción y funcionamiento de cada uno de los túneles en mayor o menor cantidad, dependiendo de las condiciones de hidrogeológicas del sector y del funcionamiento de la protección de cada túnel, considerando que son dos conductos separados.




  • Agua procedente de la escorrentía sobre la carpeta asfáltica: El tránsito de vehículos en condiciones lluviosas transportan agua en una menor cantidad que terminan en el sistema de drenaje de aguas peligrosas. Esta agua no se contabiliza al ser mínima.




  • Agua del Sistema para Control de Incendios: En el caso de un incendio dentro de los túneles, el sistema de lucha contra incendio se activará, considerando que producirá un caudal medio de 150 l/s que se canaliza en el sistema de drenaje.



8.2.1.1Aguas de infiltración

De acuerdo con lo indicado en el informe de geología, el Túnel 7 atraviesa la secuencia litológica secuencia Ksli sucesión de lutita negra y gris, con intercalaciones de limolita silícea negra, en capas delgadas a medias, plano paralelas y laminación interna ondulosa continua, físil, con partición en rombos e intercalaciones esporádicas de chert. Ksl, sucesión de limolita calcárea, negra, en capas delgadas a medias, plano paralelas y, ocasionalmente, con bases ondulosas no paralelas, e intercalaciones de lutita calcárea, con concreciones de caliza; hacia la base del segmento se presentan capas delgadas de areniscas de cuarzo y color gris. Ksls sucesión de limolita calcárea, negra, intercalada con chert, en capas delgadas a medias, plano paralelas, con partición en rombos; dentro de esta secuencia se observa delgadas intercalaciones de lutitas negras; todas estas pertenecientes al grupo Olini.


Estructuralmente la zona corresponde con el sector de la falla de Bituima y el sinclinal de Bituima,en dirección Sur- Norte; el túnel se ubica en la zona del centro de una estructura sinclinal y fallado en uno de sus flancos, que pone en contacto rocas de la Formación Guaguaqui Kgg con las Formaciones de grupo Olini; Ksli, ksl Ksls;se presenta una variación constante en la inclinación de los estratos de rocas debido al plegamiento. Por información de datos estructurales de campo, esta zona presenta una inclinación de las capas con un buzamiento dirigido al suroriente y sur occidente.
Durante el inventario de manantiales se encontraron cuatro (4) puntos de agua subterránea sobre la cobertura del Túnel 7, los cuales se reportan y analizan mediante la aplicación del método DHI (Dradown Hazards Index). De los resultados de este análisis se determinará la necesidad de recomendar o no la aplicación de medida de mitigación durante la excavación, como por ejemplo las pre-inyecciones.
Considerando la construcción de dos tubos para el Túnel 7, los caudales totales a corto y largo plazo calculados mediante el enfoque analítico descrito en el parágrafo precedente, son los indicados en laTabla 8..
Tabla 8.Valoración de la presencia de agua en el túnel 7



Fuente: Concol - Geodata, 2015
Los bajos caudales previstos en el cálculo reportados en la tabla, son explicables debido a la baja permeabilidad y posición estratigráfica de las unidades geológicas interceptadas por el Túnel 7 que forman una extensa pendiente estructural que facilita la escorrentía superficial; así como al hecho de no preverse la presencia de fallas geológicas identificables. Todo lo anterior sumado a la poca capacidad de recarga evidenciada en el balance hidrogeológico inverso.
De la tabla anterior se determina que el caudal máximo esperado para cada túnel (izquierdo o derecho) es de 6 L/s, aunque teniendo en cuenta la posibilidad de que en algún momento se presenten descargas puntuales mayores, se ha previsto que el caudal pico máximo para diseño de conducto sea de hasta 3 veces el caudal máximo estimado por el modelo hidrogeológico en condición estacionaria. De esta manera el caudal máximo será de 18 L/s.

8.2.1.2Aguas del sistema contraincendio

Basados en la norma NFPA 502 en su numeral 10.1.1, donde se referencia que el sistema de tubería debe ser Clase I y siguiendo los lineamientos de la norma NFPA 14, Standard for the Installation of Standpipe and Hose Systems, se determina que el caudal mínimo necesario proporcionado por el sistema de abastecimiento para este sistema debe ser de 500 gpm según el numeral 7.10.1.1.


description: c:\users\csalazar\desktop\nueva imagen.jpg
La red de tuberías se diseña para el funcionamiento simultáneo de 2 conexiones con un caudal de 250 gpm tal como establece la NFPA 14 en su numeral 7.10.3.1
description: c:\users\csalazar\desktop\nueva imagen (1).jpg
De acuerdo con esto, el caudal máximo esperado durante un evento de atención de incendios al interior del túnel, podrá llegar a ser de 500 GPM, que corresponde a un caudal de 31,5 L/s.

8.2.1.3Diseño de red de conducción

Para el cálculo de la capacidad hidráulica de cada uno de los sistemas, se realizó el análisis mediante la ecuación de Manning, ajustado a cada una de las secciones de la conducción a flujo libre.



Donde:
Area húmeda (A): corresponde al área del líquido transportado en la sección transversal del canal, bien sea circular o cuadrada.
Radio Hidráulico (R): corresponde a la relación del área húmeda respecto al perímetro mojado o al perímetro que tiene contacto con la superficie de la canalización.
Número de Manning (n): Se ha tomado dos tipos de superficie y, para cada una de ellas se tiene un número de Manning. Para una tubería tipo extra reforzada, construida en un ambiente controlado durante el proceso de curado el número de Manning se ha tomado el valor de 0.013.
Pendiente (S): La pendiente o inclinación de la canalización, en el caso de los túneles, se tomó la misma pendiente de la rasante con el fin de evitar la profundizar la tubería, y por lo tanto, sobre excavaciones en la sección del túnel. El valor se expresa en m/m o el valor dado en ‘%’ dividido por 100.
El valor de la pendiente de la tubería de conducción corresponde a la pendiente de la rasante de la vía, que en este caso es de 2.98% para el túnel de la derecha y de 2.99% para el de la izquierda, como se muestra en laTabla 8..
Tabla 8.Características del Túnel 7

CALZADA

ABSCISA

LONGITUD

PENDIENTE

COTA INICIO

COTA FIN

INICIAL

FINAL

m

%

msnm

msnm

Derecha

K16+290

K16+760

470

-2.98%

1301.38

1287.37

Izquierda

K16+320

K16+800

480

-2.99%

1301.39

1286.88

Fuente: CONCOL, 2015
Por lo tanto:
Caudal total de diseño = 16 L/s + 32.5 L/s = 48.5 L/s

El diámetro de la tubería de conducción longitudinal, tendrá un diámetro de 18 pulgadas (45 cm).

8.2.2Sistema de impermeabilización del túnel




8.2.2.1Descripción

Al finalizar la construcción del túnel, entra la etapa de la construcción de la protección del túnel, la cual está constituida por un revestimiento en concreto. Este concreto o protección del túnel se impermeabiliza con una capa de Geotextil, una Geomembrana termofundida o pegada y una capa de gunita, que impide que pase el agua hacia el revestimiento de concreto. Entre la capa de la Geomembrana y la roca se instala un Geotextil de alta permeabilidad que permite que el agua fluya hacia la parte baja del revestimiento donde se capta con una tubería perforada, esta tubería se conecta cada 10 m con la tubería del filtro francés modificado.


En la parte baja del revestimiento se localiza un sistema de drenaje tipo filtro francés, encargado de recolectar el agua de infiltración a la altura de la solera del túnel (bajo la estructura de la vía) y del agua captada por el sistema de impermeabilización del revestimiento tal y como se mencionó en el párrafo anterior (verFigura 8.).


Una vez captada el agua de infiltración mediante tuberías peroradas de 4” de PVC, dentro de un lecho filtrante envuelto en una tela de geotextil no tejido, esta es conducida a lo largo del túnel, por ambos costados de la vía, a través de una tubería de 25 cm de diámetro, hasta llegar al portal más bajo, el cual puede ser de entrada o salida dependiendo del flujo vehicular.
Tal y como se puede concluir, el sistema de evacuación de agua de infiltración le genera unas pérdidas al agua que puede llegar por la roca hacia el túnel, traduciendo las pérdidas de energía en disminución de la producción de agua de infiltración, tasa de infiltración que variará con el tiempo a largo plazo.

Figura 8.Sección Típica del Túnel 7


Con el fin de controlar la calidad de agua que sale de los túneles, a nivel de sólidos en suspensión y flotantes, la conducción del agua de infiltración debe terminar en el desarenador, que se describió en un aparte anterior.
Para lograr la conducción de las aguas procedentes de los túneles hacia los respectivos desarenadores, se deberá realizar la recolección, a la altura del portal, de las aguas de infiltración y de escorrentía para ser conducidas hasta dicha estructura de separación. Para esto, se considera que el agua se recolecta en pozos de inspección y tuberías hasta llegar a los desarenadores.
Para el drenaje interno de los túneles se ha considerado el uso de sumideros con cortafuegos, lo que permite que, en el caso de incendios el sistema de drenaje superficial evita que el incendio se propague a lo largo del sistema de drenaje, ya que los cortafuegos con sello hidráulico impiden la continuidad del incendio y sectorizan las llamas. Igualmente, mitiga la generación de gases producto del incendio a lo largo del túnel (ver Figura 8.yFigura 8.).

Figura 8.Drenaje Superficial con Sumidero Rejilla y Tubería e Infiltración


En la Figura 8.se puede observar los elementos que constituyen lo constituyen. En el corte longitudinal del sumidero se muestran las flechas de la dirección del flujo del agua.
Este sistema no considera pozos de inspección, el drenaje se realiza por el costado del andén y comunica cada uno de los sumideros del sistema, lo que permite que los sellos hidráulicos se recarguen simplemente haciendo fluir agua hacia el sistema cada 2 meses como mínimo.
Debido a que la tubería que comunica los sumideros queda superficial, se requiere que sea extra reforzada con el fin de evitar la construcción de cárcamos, o en su defecto, se deberá realizar la cimentación de la tubería mediante la instalación de concreto como relleno de cimentación de dicha tubería.

Figura 8.Sumidero con Cortafuego



8.2.3Desarenador - Sedimentador




8.2.3.1Descripción

El proceso constructivo de los túneles es comúnmente asociado a un proceso industrial de explotación minera, generando a nivel ambiental una necesidad de remoción del orden del 85% de los sólidos que son acarreados con el agua producida dentro del túnel.


Las variables del agua, tanto físico como químico, estarán asociadas a las características del suelo y de la roca que se transita como flujo de agua subterránea, su procedencia, de los suelos y rocas que constituyen los acuíferos, del uso del suelo superficial, y de muchas otras variables existentes antes de la construcción de los túneles. Por otro lado se tienen las variables generadas durante la construcción, siendo la variable más importante la producida por la misma explotación del suelo y roca dentro de los túneles (sólidos en suspensión y disueltos) y que son extraídos de los túneles.

Cada desarenador tiene los siguientes elementos generales:




  • Tanque de aquietamiento: En este sitio se descargan las aguas procedentes de túnel y su finalidad es eliminar la energía y amortiguar la velocidad de entrada.

  • Tanque desgrasador: En esta área se hace una separación por flotación de las partículas oleosas que pudieran ser arrastradas por el flujo de agua desde el interior del túnel.

  • Tanque de distribución del caudal de entrada: Separado del tanque de aquietamiento por un muro con ventana en la parte inferior, el tanque de distribución se localiza a lo ancho del desarenador y se separa del tanque de desarenación por dos muros, el primero genera una distribución del flujo en tres ventanas y el siguiente muro o bafle distribuye el caudal de cada ventana mediante orificios circulares de 0,10 m (4”) de diámetro separados entre centros 0.30 m.

  • Tanque de Desarenación: Una vez pasa el bafle el agua entra uniformemente hacia el tanque de desarenado, que corresponde a la primera parte del sistema de tratamiento. El objeto de esta etapa es retirar las partículas de mayor tamaño que por peso se irán al fondo de la estructura.

  • Tanque de Sedimentación: Una vez pasa la zona de desarenado, se ha previsto un área para sedimentación de partículas más finas a las retiradas en el desarenado, que se encuentran en mayor suspensión y con características acuosas (limo/arcilla). Esta zona está compuesta de un canal al que se le han incorporado paneles inclinados para optmizar el efecto de la sedimentación de este tipo de partículas, mediante la consecución de un flujo muy lento (laminar) dentro del tanque.

  • Al final del tanque de sedimentación, a nivel de la superficie del agua, se encuentra una pantalla que impide que los líquidos y material sobrenadantes pasen hacia el vertedero, permitiendo que se almacene estos líquidos y materiales que son indeseables.

  • Como último elemento se tiene el vertedero del agua ya decantada, sin sobrenadante, que pasa a un tanque para salir hacia la disposición final, mediante un tubo de 0.30 m (12”).

Resumiendo lo anterior, en la etapa de construcción cada túnel (izquierdo y derecho) contará con una estructura de este tipo. Para la etapa de operación de la vía se mantendrán estas estructuras.


Durante la etapa de construcción se debe garantizar que, el agua que entra al desarenador solamente corresponde a las aguas procedentes de los túneles, y en el caso que le pueda llegar agua de escorrentía superficial del terreno adyacente al desarenador y sobre los portales, esta agua se canalice mediante cunetas de coronación o canalizaciones, desviando el agua del desarenador.
Así mismo, el agua efluente del desarenador debe drenar hacia los cauces intermitentes (microcuencas cuencas) que deberán pasar bajo la(s) calzada(s) mediante alcantarillas de carretera y obras de arte respectivas, que se han previsto en cada portal del túnel.

8.2.3.2Cálculo del desarenador / Sedimentador

Los sólidos presentes en el agua corresponden a arenas finas, material que será removido en gran proporción (del orden del 85% de remoción) al cruzar por el desarenador que se proyecta.


Características básicas:


  • Temperatura del agua 20ºC, con viscosidad cinemática de 0.01237 cm2/s.




  • Diámetro de la partícula a sedimentar = 0.015 cm

Es de anotar que el diámetro de la partícula a sedimentar se puede clasificar como limo, el cual tiene diámetros de partículas entre 0.05 mm y 0.01mm, ya que el mayor contenido está clasificado como arena fina a arena muy fina, este valor nos tiende a garantizar que la remoción de partículas en suspensión esté en el rango de 85% o superior en condiciones ideales.


Las condiciones de diseño para el sedimentador son las siguientes:


  • El flujo se mueve uniformemente a través de la sección transversal.

  • El agua se desplaza con una velocidad uniforme a lo largo de todo el tanque.

  • Todas las partículas que lleguen al fondo del tanque de sedimentador no se levantará nuevamente y será removido al momento de hacer la limpieza o lavado.

Para el diseño además se tuvieron en cuenta algunas consideraciones como son:




  • Las partículas se toman como distribuidas uniformemente.

  • El flujo alrededor de las partículas es laminar.

  • Qinfiltración máxima=6 L/s

  • Caudal de diseño: dos ves el caudal máximo = 2 (6 L/s) = 12 L/s

Primero, se calculó la Velocidad de Sedimentación de la partícula utilizando la Ley de Stokes, ecuación para flujo laminar que es el flujo que se debe garantizar en el sedimentador.


En donde:
- Vs = Velocidad de sedimentación de la partícula, cm/s

- g = aceleración de la gravedad, (981 cm/s²)

- Ps = peso específico de la partícula, (para arenas = 2.65)

- P = peso específico del agua, (1.00)

- u = viscosidad cinemática del agua, cm²/s

- d = Diámetro de la partícula remover (cm)


En la Tabla 8.se presentan los valores de densidad y viscosidad del agua para diferentes rangos de temperatura.
Tabla 8.Valores de densidad y viscosidad del agua



Fuente: Tratamiento de Aguas Residuales, G. Rivas Mijares, 1978
La viscosidad del agua varía con la temperatura de acuerdo con la siguiente fórmula:


La velocidad de sedimentación quedaría así:


Para calcular la velocidad de sedimentación de diseño (Vsc), se promedió la velocidad de sedimentación Vs calculada con la Ley de Stokes y la Vs calculada con laTabla 8..
Tabla 8.Relación entre diámetro de partículas y Velocidad de Sedimentación a 10°C según Hazen.

Material

Diam. de Partículas y velocidad de sedimentación (cm)

Número de Reynolds

Velocidad de Sedimentación (cm/s)

Régimen

Ley Aplicada

Arena fina

0.01

0.8

0.8

Laminar

Stokes

0.008

0.5

0.6

Laminar

0.006

0.24

0.4

Laminar

0.005

<1

0.3

Laminar

0.004

<1

0.2

Laminar

0.003

<1

0.13

Laminar

0.002

<1

0.06

Laminar

0.001

<1

0.015

Laminar

Fuente: Acueductos Teoría y Diseño. Corcho F, Duque J.I. Ed. Universidad de Medellín.
Para temperaturas diferentes a 10º, la velocidad de sedimentación se obtiene con la siguiente fórmula:

Por lo tanto Vsc (velocidad de sedimentación de diseño) es:

Siendo: Vs1 = Velocidad de sedimentación Vs, hallada con la Ley de Stokes

Vs2 = Velocidad de sedimentación Vs, hallada con la tabla.


Luego de hallar la velocidad de sedimentación de diseño Vsc, se halla el tiempo que tardaría la partícula en llegar al fondo del tanque td, asumiendo una profundidad de sedimentación H de 1.5 m.
La velocidad de sedimentación se puede calcular mediante laFigura 8..

Fuente: Tratamiento de Aguas Residuales, G. Rivas Mijares, 1978

Figura 8.Valores de Sedimentacion
En cuanto a la eficiencia se obtiene a partir del Numero de Hazen, que corresponde a una relación entre las condiciones de las pantallas deflectoras del sedimentador y el porcentaje de remoción, dichos valores del Número de Hazen se encuentran consignados en la Tabla 8.
Tabla 8.Número de Hazen




% Remoción

Estado reflectores

n

87.5

75

50

Deflectores Deficientes o ausencia de ellos

1

7.0

3.0

1.0

Deflectores Buenos

2

2.75

1.66

0.76

Deflectores muy buenos

3

2.37

1.52

0.73

Máximo Teórico

4

0.88

0.75

0.5

Fuente: Elementos de Diseño de Acueductos y Alcantarillados, Ricardo López Cualla, Ed. ECI
De manera gráfica se relaciona como se presenta en laFigura 8..

Fuente: Tratamiento de Aguas Residuales, G. Rivas Mijares, 1978

Figura 8.Curvas de Comportamiento de desarenadores
Finalmente, para los caudales de diseño obtenidos del estudio hidrológeológico y del sistema contraincendios para el Túnel 7, se dimensiona los compartimentos del sistema de tratamiento de aguas provenientes del túnel para las etapas de construcción y operación: la primera, que tiene dimensiones efectivas de desarenado L=3.0 m, B=2.0 m; zona de sedimentación acelerada de dimensiones efectivas de L=6.0 m y B=2.0 m.

El estudio detallado de hidrología e hidráulica desarrollado para el proyecto, se presenta en el “Volumen VIII Estudio de Hidrología, Hidráulica y Socavación”.





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