Las pruebas de permeabilidad son esenciales en la ingeniería geotécnica para determinar la capacidad de un terreno o material geológico para permitir el paso de agua a través de él. En las obras de infraestructura, especialmente en hidroeléctricas, presas de jales, túneles y cortes carreteros, las pruebas de permeabilidad se consideran parte fundamental del estudio geológico pues son de suma importancia para determinar el sello hidráulico del subsuelo que será excavado.

Dos de las pruebas más comunes son:

    Permite predecir la capacidad de absorción de agua y lechadas de inyección de un macizo rocoso y la modificación de sus discontinuidades mediante sondeos exploratorios.
    Permite conocer la permeabilidad de materiales aluviales, depósitos de talud o roca muy fracturada y alterada, mediante la inyección o extracción de agua de un tramo de la perforación.

Prueba de Permeabilidad Tipo Lugeon

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Se utiliza para medir la permeabilidad de las rocas o suelos, especialmente en materiales consolidados, mediante la inyección de agua bajo presión dentro de una perforación en roca, hasta alcanzar la absorción de 1.0 L / (min*m) a una presión efectiva de 0.981 MPa, esto se conoce como Unidad Lugeon, para la cual se aísla el tramo que se desea probar.

La prueba de Lugeon se basa en la medición de la cantidad de agua que fluye a través de una roca bajo condiciones de presión constante. El valor obtenido, denominado Lugeon, indica la cantidad de agua (en litros) que fluye por un metro de roca por cada atmósfera de presión aplicada. Es un valor utilizado para evaluar la capacidad de una roca para permitir el paso de agua.

OBJETIVOS
  • Obtener un valor cuantitativo de la permeabilidad hidráulica de la roca o formación geológica.
  • Conocer la cantidad de agua que por inyección toma la roca presente a un tramo de barreno.
  • Clasificar la permeabilidad de los materiales geológicos cortados por el barreno en el tramo probado.
  • Interpretar el tipo de flujo y la evolución de la absorción con relación a la presión durante la prueba.
  • Clasificar la permeabilidad de los materiales geológicos cortados por el barreno en el tramo probado.
  • Interpretar el tipo de flujo y la evolución de la absorción con relación a la presión durante la prueba.

CONDICIONES PREVIAS A LA EJECUCIÓN DE LA PRUEVA

  • Nivel freático: Conocer la posición del nivel freático es clave para determinar si se requiere inyección o bombeo.
  • Estado de la perforación: Se recomienda que la perforación esté completamente limpia antes de la inyección para evitar obstrucciones que alteren los resultados.
  • Materiales y herramientas necesarias: Uso de equipos básicos como manómetros, válvulas de control, medidores de caudal y sellos de obturación.
PROCEDIMIENTO
    1. Instalación: Se perfora un pozo o sondeo en la roca a evaluar. Se inserta un tubo de inyección (generalmente de acero inoxidable) en el pozo, con un anillo de sellado para asegurar que la inyección de agua se realice solo a través de la roca.
    2. Inyección de agua: Se inyecta agua a una presión constante y se mide el caudal de agua que sale a través del anillo de inyección. Normalmente se comienza a presionar con una baja presión y se va incrementando.
    3. Medición del caudal: A medida que se aumenta la presión, se mide la cantidad de agua inyectada que fluye a través de la roca. El caudal de agua se mide en litros por minuto.
    4. Repetición: El proceso se repite para diferentes presiones, registrando los valores de presión y caudal a medida que avanzan.
CÁLCULOS

La presión efectiva, para cada una de las observaciones, se calcula por medio de la siguiente formula:

p = pm + ph - pf

donde:

p = presión;

pm = presión manométrica;

ph = presión hidrostática ejercida por la columna de agua (cuando no exista nivel freático,

h será del manómetro a la parte superior del tramo);

pf = perdida por fricción del manómetro en la parte superior del tramo probado.

Para poder determinar la permeabilidad del tramo probado es necesario obtener la absorción, la cual se calcula con la siguiente fórmula:

A = (V/t)/l

donde:

A = absorción;

V = volumen;

t = tiempo de observación;

l = longitud de prueba.

INTERPRETACIÓN
  • Lugeon < 1: Roca muy impermeable (muy baja permeabilidad).
  • 1 ≤ Lugeon < 5: Roca con permeabilidad baja.
  • 5 ≤ Lugeon < 50: Roca con permeabilidad moderada.
  • Lugeon ≥ 50: Roca con alta permeabilidad.

El valor de Lugeon proporciona información sobre la permeabilidad en términos cualitativos, ayudando a la toma de decisiones para proyectos donde la filtración de agua pueda ser un problema.

La interpretación de los resultados es la parte medular de la prueba y debe realizarla un geólogo con experiencia. Es muy común que las gráficas muestren diferentes comportamientos al aplicar las presiones. A continuación se muestran gráficas representativas de la conductividad hidráulica en pruebas Lugeon.

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APLICACIONES
  • Proyectos hidroeléctricos: La prueba de Lugeon se usa para evaluar la permeabilidad de la roca en las fundaciones de presas y túneles, ayudando a determinar el riesgo de filtración de agua y la necesidad de impermeabilización.
  • Túneles y excavaciones subterráneas: En la construcción de túneles, esta prueba es clave para conocer la capacidad de la roca para permitir el paso de agua, lo que influye en la estabilidad y en los sistemas de drenaje.
  • Presas y represas: Se utiliza para asegurar que las formaciones rocosas no permitan el paso excesivo de agua, lo que podría comprometer la seguridad estructural de la presa.
FACTORES QUE PUEDEN AFECTAR LOS RESULTADOS 
  • Heterogeneidad del suelo o la roca: En suelos estratificados o rocas con fisuras, la permeabilidad puede variar.
  • Presión aplicada en la prueba Lugeon: Si se supera una presión crítica, se pueden generar fracturas artificiales.

Prueba de Permeabilidad Tipo Lefranc

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 Consiste en inyectar o extraer agua a través de un tramo de perforación (cámara de prueba), con la finalidad de cuantificar la velocidad del flujo en los materiales probados (ver tabla de permeabilidad en la figura). Dependiendo del tipo de terreno es posible realizar dos tipos de pruebas Lefranc: de flujo constante y variable.

  • FLUJO CONSTANTE
    Con bombeo
    Consisten en bombear agua del barreno hasta alcanzar un nivel de 10 m por debajo del nivel freático, el cual es estabilizado por un tiempo establecido y se registra el volumen extraído. Esta prueba se aplica en materiales con alta permeabilidad en donde el nivel freático debe ser muy somero (10 m por encima de la cámara de prueba).
    Con inyección
    Se inyecta un caudal para estabilizar el nivel de agua del barreno, a 10 m por arriba del centro de la cámara de prueba o del nivel freático. Se estabiliza el nivel durante 10 min y se registra el volumen admitido.
  • FLUJO VARIABLE
    De descenso
    Se inyecta agua al barreno hasta completar una columna de 10 m por arriba de la cámara de prueba, cuando no es posible obtener la columna deseada se trabaja con la columna de agua disponible. Una vez alcanzado el nivel ya no se agrega más agua y se va midiendo la profundidad del nivel de agua en intervalos de tiempo.
    De ascenso
    Consiste en extraer agua equivalente a una carga de 10 m a partir del nivel freático, para después medir la velocidad de recuperación del nivel de agua.

OBJETIVO

La prueba de Lefranc mide la permeabilidad en suelos finos o arcillosos. Su objetivo es determinar la capacidad de estos suelos para permitir el paso de agua, lo cual es fundamental para conocer el comportamiento hidráulico de los suelos en proyectos de cimentación, túneles y presas.

MARCO TEÓRICO

La prueba de Lefranc se basa en la medición de la filtración de agua a través de un suelo poroso, utilizando un equipo de infiltración que genera una diferencia de presión entre dos puntos del suelo. El principio de la prueba se basa en la ley de Darcy, que describe el flujo de un fluido (como el agua) a través de un medio poroso. La ley establece que el caudal de agua es directamente proporcional a la diferencia de presión y a la permeabilidad del material, y que es inversamente proporcional a la longitud del flujo.

CONDICIONES PREVIAS PARA LA EJECUCIÓN DE LA PRUEBA

  • Nivel freático: Conocer su posición ayuda a definir si se usará inyección o bombeo.
  • Estado del suelo: Suelos compactados o saturados pueden afectar la medición de la permeabilidad.
  • Instrumentación adecuada: Uso de medidores de caudal, columnas de agua y dispositivos de sellado.

PROCEDIMIENTO

  1. Preparación del pozo: Se realiza una perforación en el suelo y se coloca un tubo de muestreo. Este tubo se utiliza para medir la variación de la cantidad de agua en un tiempo dado.
  2. Llenado de agua: El pozo se llena con agua hasta un nivel específico, luego se observa y se mide el descenso de nivel de agua en el pozo durante un tiempo determinado.
  3. Medición del tiempo de caída: Se mide el tiempo que tarda el nivel de agua en caer una cierta distancia, que se registra.
  4. Repetición: El proceso se repite para obtener resultados más precisos y consistentes.

CÁLCULOS

La permeabilidad de un suelo se calcula utilizando la fórmula de la ley de Darcy modificada para la prueba de Lefranc:

​K=QL/AH

Donde:

K = Coeficiente de permeabilidad (m/s)

Q = Caudal de agua infiltrada (m³)

L = Longitud del medio permeable (m)

A = Área del pozo (m²)

H = Diferencia de altura del nivel de agua (m)

INTERPRETACIÓN

Los valores del coeficiente de permeabilidad KK se interpretan según la siguiente escala:

  • K < 10⁻⁶ m/s: Permeabilidad muy baja (suelo casi impermeable, como arcillas duras).
  • 10⁻⁶ ≤ K < 10⁻⁴ m/s: Permeabilidad baja (arcillas blandas, limos).
  • 10⁻⁴ ≤ K < 10⁻² m/s: Permeabilidad media (suelos limosos o arcillo-arenosos).
  • K ≥ 10⁻² m/s: Permeabilidad alta (arenas, gravas, suelos muy permeables).

APLICACIONES

  • Cimentaciones: La prueba de Lefranc se utiliza en el diseño de cimentaciones para conocer la permeabilidad del suelo y calcular las cargas de agua subterránea que podrían afectar la estabilidad de la estructura.
  • Estudios geotécnicos para presas: Es útil en suelos donde se pretende construir una presa, para evaluar el riesgo de filtraciones a través de las arcillas y otros suelos finos.
  • Control de la infiltración de aguas subterráneas: En proyectos de drenaje y protección contra la infiltración de aguas subterráneas, la prueba permite determinar cómo se comportará el terreno bajo la presión del agua.

FACTORES QUE PUEDEN AFECATAR LOS RESULTADOS

  • Compactación y saturación del suelo: Suelos más compactos pueden mostrar menor permeabilidad.
  • Fluctuación del nivel freático: Puede modificar el flujo de agua, alterando la medición del coeficiente de permeabilidad.
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