Diseño y ejecución de Pozos Inmisario y Emisario para la planta Desaladora de Atacama, Chile

En este artículo se exponen los principales aspectos del diseño y la ejecución de los pozos inmisario y emisario de la Desaladora de Atacama que constituye una infraestructura fundamental para asegurar el suministro de agua en esta región chilena. El proyecto es promovido por la Empresa Concesionaria de Servicios Sanitarios, ECONSSA Chile. El Consorcio formado por GS Inima y CVV resultó adjudicatario de la licitación en modalidad EPC + 2 años +1 opcional de O&M. La ingeniería de las obras geotécnicas para la captación de agua de mar y vertido de efluentes, así como el seguimiento y control de las mismas ha sido desarrollado por Subterra Ingeniería. Los túneles Inmisario y Emisario han sido ejecutados por Eurohinca.

El proyecto 'Planta Desaladora de Atacama' es una infraestructura clave que asegura el suministro de agua potable en una región caracterizada por un déficit hídrico severo. La capacidad de producción de la planta es de 1.200 litros/segundo de agua desalada facilitando el suministro a una población de más de 210.000 habitantes.

Foto 1. Brocal en pique Inmisario.

El proyecto completo consiste en la captación del agua de mar y descarga posterior de la salmuera por medio de túneles submarinos, el transporte a la planta desalinizadora, la producción de agua apta para consumo humano, las instalaciones eléctricas asociadas, el almacenamiento de la misma en un estanque de agua producto y la distribución del agua potable a los distintos puntos de abastecimiento de la población para las localidades de Caldera, Chañaral, Copiapó y Tierra Amarilla. Además, incluye la descarga de la salmuera al mar y la alimentación eléctrica de los distintos puntos de consumo.

La Planta Desalinizadora se localiza en el Norte de Chile, en el sector costero de la región de Atacama, área de Punta de Zorro, aproximadamente 3 km al poniente de la ciudad de Caldera. La Figura 1 muestra la localización de la actuación.

En cuanto a las obras de interés geotécnico, el proyecto implica las siguientes actuaciones:

• Pique Inmisario, de 23 m de diámetro interior y 25,94 m de profundidad.
• Pique Emisario, de 14 m de diámetro interior y 24,57 m de profundidad.
• Túnel Inmisario ejecutado mediante hinca de 330 m de longitud.
• Túnel Inmisario ejecutado mediante hinca de 240 m de longitud.

La Figura 2 muestra una planta general de la actuación.

A continuación se exponen los principales aspectos del diseño y la ejecución de los pozos.

Las dimensiones de los pozos deben contemplar los siguientes aspectos:

• Habilitar espacio suficiente para el montaje y operación de los equipos de operación de la planta desalinizadora, considerando la ejecución de una cámara de hormigón armado en su interior.
• Habilitar accesos separados para el ingreso de equipos, personal y materiales durante la ejecución de las obras y el desarrollo de los trabajos de ejecución de los túneles mediante el método de hinca. Redundancia de accesos para el evento de una evacuación motivada por una emergencia (sismo, tsunami, etc.).
• Deberá proveerse suficiente espacio para que cohabiten tuberías con fluidos: aceites, combustible, agua, marina (excedentes de excavación), en conjunto con instalaciones eléctricas de media y/o baja tensión propias de los equipos necesarios para ejecutar los trabajos.

En base a los condicionantes anteriormente expuestos se han definido las dimensiones de los pozos. El pozo emisario acoge la geometría estricta de un cilindro con las dimensiones comentadas anteriormente, 14 m de diámetro y 24,5 m de profundidad. En el caso del pozo inmisario la geometría es cilíndrica con 23 m de diámetro hasta los 19,5 m de profundidad cota a partir de la cual se prosigue la excavación con una planta cuasi paralepípeda de dimensiones 17,40 x 10,80 m y 6,4 m de profundidad. En las Figuras 3 y 4 se ilustra de la geometría de ambos pozos.

Figura 3. Planta y perfil Pozo Inmisario.

Figura 4. Planta y perfil Pozo Emisario.

El sector del litoral en el que se ubica la actuación se encuentra dominado por intrusiones gabroicas a monzograníticas de edad Triásica a Jurásica Temprana (Diorita Cuarcífera Añañucal, Monzogranito Puerto Viejo, Gabro Caldera y granodioritas Morro Copiapó y Cerro Chascón). Hacia el este se emplazan plutones dioríticos a granodioríticos del Jurásico Medio al Cretácico Temprano, distribuidos en tres franjas orientadas en dirección NNE-SSW.

El Proyecto se emplaza sobre el plutón Gabro de Caldera, con presencia de intrusiones de diques de diabasa, leucogranito, diorita y microdiorita.

Foto 2. Primeros pases de excavación y sostenimiento.

A partir del análisis de la bibliografía disponible y de las exploraciones efectuadas se han distinguido las siguientes unidades geológicas:

• Gabro Caldera. Se trata de una unidad intrusiva de forma elíptica, con el eje mayor orientado norte-sur, con unas dimensiones de 25 km por 13 km. A su vez, se encuentra intruída por dioritas del Plutón Sierra Roble. En este Plutón predominan los gabros de olivino y dioritas de clinopiroxeno y/o anfíbola con una foliación magmática de rumbo NE-SW. En el área de estudio se observan gabros de color negro con pátinas de meteorización rojizas, grano grueso a medio y textura hipidiomorfa. Las dioritas presentan color gris oscuro a claro, de grano medio a fino (microdioritas), con textura hipidiomorfa a porfídica.
• Diques de diabasa. Diques subverticales de composición andesítica a basáltica, de rumbo NW-SE, de 0.3 a 4 m de espesor.
• Pluton Sierra el Roble. En el área de trabajo se presentan como cuarzodioritas de anfíbola, localmente leucodiorítas, que intruyen en forma de diques de espesor milimétrico a métrico a gabros y microdioritas del Plutón Gabro Caldera y a diques andesítico-basálticos. Poseen texturahipidiomórfica de grano grueso y su color es blanco a amarillo parduzco. Generalmente se presentan asociados a zonas de debilidad.
• Formación Bahía Inglesa. Secuencia sedimentaria clástica, fosilífera y semiconsolidada de carácter marino litoral. Predominan sedimentos de coquinas, areniscas, margas y fangolitas. Esta unidad aflora fuera del área del proyecto, en sectores litorales al NE y al S.
• Estratos de Caldera. Sucesión sedimentaria marina-litoral, compuesta por sedimentos carbonáticos y clásticos, formando un conjunto de terrazas de abrasión marina. Los sedimentos que lo componen se caracterizan por formar niveles estrato y grano decrecientes de potencia variable, entre 1 y 3 m, presentándose tanto como depósitos no consolidados como cementados. En el área de estudio se presenta en inconformidad sobre el Plutón Gabro de Caldera constituyendo el nivel de suelo.
• Depósitos Eólicos. Depósitos de dunas parabólicas de arenas móviles no cohesivas, generalmente bien seleccionadas, de grano grueso a fino, redondeado a subredondeado. Morfológicamente se presentan formando fajas de hasta 5 km de ancho orientadas al E o SE.

Foto 3. Pique Emisario vista emplazamiento.

Respecto a la tectónica y estructura, el control estructural de la zona se encuentra dominado por lineamientos de primer orden de orientación NW-SE y NE-SW. En áreas cercanas al proyecto se aprecian fallas normales con rumbo NE y buzamiento hacia el este.

Con objeto de estudiar a escala de afloramiento las juntas o diaclasas existentes en el macizo rocoso en el que se desarrollan los pozos, se han realizado un total de 8 estaciones geomecánicas en las inmediaciones. Para cada discontinuidad se han obtenido los principales parámetros que caracterizan la fracturación, concretamente: Rumbo y buzamiento; Espaciado entre planos; Continuidad de los planos de la discontinuidad; Rugosidad de la cara de la junta medida con el índice JRC; Apertura de la junta; Espesor y tipo de relleno; Presencia de agua. Para la agrupación de cada discontinuidad en familias se ha utilizado el programa DIPS, de Rocscience. Las medidas tomadas en campo se han representado mediante proyección estereográfica para obtener su distribución, a partir de la cual se obtienen, mediante análisis estadístico, isolíneas de densidad de polos. Posteriormente se obtiene, a partir de dichas concentraciones de polos, los polos medios que corresponden a las direcciones medias de fracturación. Las estaciones geomecánicas se han realizado en la unidad rocosa predominante, los Gabros de Caldera, en la que se excavarán principalmente los piques. En la Figura 7 se muestran los gráficos de polos obtenidos

A continuación se describe de forma general la geología detectada en cada uno de los piques.

El Pique Inmisario se excavará íntegramente en los Gabros de Caldera. En los primeros 12 metros, aproximadamente, los gabros se encuentra atravesados por una falla subvertical que afectará a la excavación del pique principalmente en su parte norte. En este tramo se estima que la calidad geomecánica será fundametalmente baja. El resto de la excavación del pique se excavará en gabros de calidad geomecánica media a buena, con un RMR estimado entre 55 y 65 puntos.

Foto 4. Vista cenital pique Emisario.

El Pique Emisario se excavará en los Gabros de Caldera y en las Dioritas Plutón Sierra Roble. En los primeros 5,5 metros, aproximadamente, los gabros presentan un grado de meteorización III-IV, por lo que se estima que en este tramo la calidad geomecánica será media a baja. A partir de esta profundidad, se ha detectado la intrusión de un dique de diorita subvertical con buzamiento hacia el norte – noroeste, que atraviesa el pique desde el sureste en la parte superior, hasta el noroeste en la parte final de la excavación. Aunque los diques de diorita pueden constituir una zona de debilidad, y en general esta unidad presenta principalmente una calidad geomecánica mala a muy mala, el dique de diorita detectado en el sondaje S-2, que atraviesa el pique Emisario, presenta una calidad geomecánica buena, con valores del RMR entre 70 y 80 puntos. Por tanto, el resto de la excavación del pique se estima que será excavada en un macizo rocoso (gabro con intrusión de dique de diorita) de calidad geomecánica media a buena, con un RMR estimado entre 55 y 65 puntos.

Cabe incidir en que la posición de los pozos ha sido rectificada respecto a aquella fijada en el proyecto referencial desplazándose hacia tierra en el caso del Inmisario, y hacia el mar en el caso del Emisario, con el objeto de evitar zonas de debilidad estructural del macizo rocoso.

En las Figuras 5 y 6 se muestran los perfiles geológicos de los pozos.

El campo de esfuerzos natural adoptado corresponde a una distribución del coeficiente se esfuerzo K0 de 1,0 en la dirección Este-Oeste y también en la dirección Norte-Sur.

Finalmente, el contexto hidrogeológico de la traza se encuentra conformado por la posición de una napa freática muy deprimida que queda holgadamente por debajo de las profundidades contempladas en el las obras geotécnicas del proyecto. Por otro lado el macizo rocoso es lo suficientemente impermeable para que no exista afección del nivel del agua de mar en el entorno de la actuación.

El Estudio Geotécnico consistió en el desarrollo de una campaña de terreno para realizar sondajes exploratorios con recuperación de testigos (no orientados), ensayos geofísicos y ensayos de laboratorio.

Foto 5. Retirada de escombro en profundidad.

Las actividades de caracterización geotécnica consistió en las siguientes actividades:

• Cartografía geológico geotécnica de detalle para lo que se han desarrollado 8 estaciones geomecánicas.
• 5 sondajes exploratorios concretamente en la zona de trazado de los túneles y ubicación de cámaras de carga y descarga que totalizan 185 ml.
• Se han realizado prospecciones geofísicas marinas y terrestres, con el objetivo de identificar y caracterizar las condiciones geofísicas del emplazamiento de las obras correspondientes a la planta desalinizadora y líneas de captación y descarga.

Las prospecciones geofísicas marinas realizadas fueron las siguientes:

• Perfiladores sísmicos de subfondo (SBP). Mediante un perfilador sísmico de alta resolución se ha determinado el espesor de las capas sedimentarias y/o posibles bancos enterrados bajo la columna de agua y sobre el lecho rocoso.
• Sonar de barrido lateral (SSS) mediante los que se han obtenido imágenes de alta resolución de la superficie del fondo marino.

Las prospecciones geofísicas terrestres realizadas fueron las siguientes:

• Refracción sísmica. Mediante el método de refracción sísmica se han obtenido los datos de velocidades sísmica VP y VS, los cuales están relacionados a las propiedades mecánicas del subsuelo permitiendo la clasificación de los sustratos que lo componen, alcanzando una profundidad efectiva de investigación de 40 m.
• Sondeo eléctrico vertical (SEV) mediante los que se ha determinado la resistividad del suelo de la zona de estudio, de esta manera elaborar un perfil geoeléctrico que permita definir la cantidad de estratos hasta la profundidad efectiva alcanzada de unos 30 m.

• Ensayos geotécnicos: Se efectuaron 4 ensayos de permeabilidad tipo Lugeon. A partir de estos ensayos se dedujo que el macizo rocoso presenta una permeabilidad muy baja.
• Ensayos laboratorio: Se efectuaron ensayos de caracterización y compresión simple sobre 13 muestras obtenidas de los sondeos.

Foto 6. Ejecución de bulones y retirada de escombro.

Una vez caracterizado los litotipos a nivel de roca intacta, el macizo rocoso se ha clasificado utilizando los criterios de valoración de Bieniawski, que proporciona el índice RMR (Rock Mass Rating) asimilándolo al GSI (Geological Strenght Index). A continuación se procede, para los diferentes rangos de calidad geomecánica establecidos, a la minoración de las propiedades de la roca intacta mediante las formulaciones de Hoek-Brown para parámetros resistentes y de Bieniawski-Galera (2005,2006) para los deformacionales.

Para realizar el ajuste del criterio de Hoek-Brown han efectuado las siguientes consideraciones:

• Se han adoptado los valores de compresión simple σci de la roca intacta.
• En el caso de los macizos rocosos alterados se ha considerado una reducción del 30% de estos parámetros por efecto de la alteración de la matriz.
• En el caso de las zonas de falla la reducción de los parámetros resistentes de la roca intacta se eleva al 50%.
• Se ha considerado a efectos de cálculo el menor valor de RMR del intervalo, que en el caso de las fallas y zonas fracturadas se ha tomado un valor de RMR menor de 25.
• Se ha tomado un valor del parámetro D igual a 0.4 correspondiente a una excavación con una alteración media en la roca, mientras que en las fallas y zonas fracturadas se ha tomado un valor de D igual a 0, donde se va a realizar la excavación con medios mecánicos y no con voladura.

Respecto a los parámetros mecánicos de las discontinuidades se ha considerado adecuado utilizar criterios de rotura basados en la estimación sistemática de diversos parámetros en campo, tales como la rugosidad (aplicando el índice JRC), resistencia de las paredes (índice JCS), y criterio de Barton y Choubey, en el que se tiene en cuenta el ángulo de fricción básico (Φb).

A continuación la Tabla I muestra los parámetros geotécnicos considerados en el diseño de los pozos.

Dada la geometría que presenta el pique y el contexto geotécnico del emplazamiento se considera que el método constructivo más apropiado es el de ejecución de pozo ciego mediante medios mecánicos y perforación y voladura.

Previo a la ejecución de los piques, y dada la irregularidad del terreno, se establece la necesidad de generar una plataforma de explanación, que permita generar unas condiciones de trabajo óptimas. En primer lugar y dado el poco espesor del material granular eólico (Estrato de caldera, Qec) que no debiera superar los 1,5 m de espesor en función de la testificación realizada en los sondeos, retirará este material mediante un equipo de excavación sobre orugas.

Foto 7. Vista cenital pique inmisario.

A continuación se desarrolla de manera detallada la secuencia del pique inmisario siendo muy similar a la del pique emisario:

• Etapa 1 – Brocal: Esta etapa corresponde a la excavación y confección del brocal superior, el cual se construirá completamente en una sola etapa. La cota superior del brocal coincide con la cota de la plataforma de explanación y posee 1,5 m de altura.
• Etapa 2 – ST-1: Durante esta etapa se procede por pases a la excavación y sostenimiento del sector de alteración superior que conforman los gabros de caldera hasta 5,5 m de profundidad. La sección de sostenimiento asociada a este sector es la ST-1. El pase de excavación es de 0,5 para el primer pase, 1,5 para el segundo pase y 1,0 m para los dos últimos pases. Esta distribución de pases viene determinada por la ubicación de los marcos metálicos. Durante esta etapa se produce la excavación de la sección de 441 m² ejecutada con medios mecánicos, tales como martillo hidráulico o excavadora., tal como se verá en el apartado de sostenimiento.
• Etapa 3 ST-2: Durante esta etapa se procede a la excavación y sostenimiento del sector de gabros sanos de caldera. La sección de sostenimiento asociada a este sector es la ST-2. Esta etapa supone la excavación hasta los 19,50 m. La excavación de esta sección de 430 m², será realizada con perforación y voladura en dos fases, de acuerdo al planteamiento descrito en el esquema mostrado en la Figura 7. Se diferenciarán dos pases de excavación en función de la calidad de roca, 3 m para RMR ≥ 55 y 1,5 m para RMR < 55.
• Etapa 4 ST-3: Durante esta etapa y considerando el sostenimiento ST-3, se plantea la excavación del pique en su parte final, con reducción de la sección en su parte inferior. Esta etapa supone la excavación 5,5 m adicionales. La excavación de este sector, donde irá ubicada la estructura de reacción para la ejecución de la hinca en el inmisario, y dada la reducción de sección será realizada en una sola fase mediante perforación y voladura con pases de 1,5 / 3 m en función de localidad de la roca.

El diseño del sostenimiento de una obra subterránea implica como primera operación la división del trazado en tramos homogéneos desde el punto de vista de su comportamiento tensodeformacional.

Foto 8. Perforación para voladura.

A continuación se procede a la definición de las secciones tipo de sostenimiento, para lo que se ha seguido una metodología progresiva, en el siguiente orden:

• Clasificaciones geomecánicas: Se trata de métodos empíricos que permiten efectuar un prediseño ajustado del sostenimiento a instalar.
• Cálculo de bloques: Se analiza la estabilidad de los bloques que se forman por la intersección de juntas y fracturas en el macizo rocoso. Se han analizado mediante el software UNWEDGE, estos cálculos son complementarios a los métodos numéricos.
• Cálculos tenso-deformacionales: Se procede a realizar simulaciones numéricas a nivel de análisis tensodeformacional de la interacción entre el macizo rocoso y los diferentes sostenimientos diseñados. Para ello se ha empleado el programa FLAC3D. Los elementos de hormigón de sostenimiento del pique se han modelizado con elementos tipo Shell. Dado que se ha modelizado la excavación secuencial, se ha tenido en cuenta la evolución de la resistencia y el módulo durante el fraguado del hormigón proyectado. Los marcos metálicos se han modelizado con elementos estructurales tipo Pile y los bulones mediante elementos tipo Cable. Se consideraron en el modelo las sobrecargas asociadas al tránsito de equipos y al pórtico grúa necesario para la ejecución de la hinca.

Foto 9. Vista 360º de un pase de avance.

Las Figuras 13, 14, 15 y 16 muestran el modelo y algunas de las salidas de cálculo obtenidas en el diseño del sostenimiento mediante el empleo del programa FLAC3D.

Se describen a continuación las secciones tipo de sostenimiento para el pique inmisario:

En la parte superior del pique existe un brocal o anillo rígido de 1,5 m de espesor conformado por hormigón fc 25 MPa reforzado con fibras.

Sección Tipo ST-1

• 3 cm de hormigón proyectado de fc 25 MPa, correspondiente al sellado.
• Marco metálico W 200 x 165 x 41,7 de acero A36 con espaciamiento variable.
• 30 cm de hormigón proyectado de fc 25 MPa.

Sección Tipo ST-2

• 3 cm de hormigón proyectado de fc 25 MPa. Para el caso en el que la calidad del macizo rocoso sea mayor a RMR >65 y si se realiza un correcto acuñado de los bloques propensos a desprenderse, podrá eliminarse.
• Bulón de 32 mm de diámetro y 9 m de longitud de acero A630-420H. Espaciamiento de 1,5 m en la dirección de avance del pique y de 2,0 m en sentido transversal. Serán anclados con lechada de cemento.
• 15 cm de hormigón proyectado de fc 25 MPa.

Sección Tipo ST-3

Este refuerzo consta de los mismos elementos que la -ST-2, con la única diferencia que los bulones serán de 3 m, ya que la aplicación de este sostenimiento se realiza sobre la parte inferior del pique, sección reducida.

El diseño estructural de los piques también ha implicado el desarrollo de las estructuras de reacción a instalar tanto en el pique inmisario como en el emisario. Estas estructuras proveerán la reacción necesaria para la ejecución de los túneles mediante el método de la hinca. Las elevadas dimensiones de los pozos hacen que la solución simple de muro de reacción invadiría una gran superficie del pozo que quedaría inutilizada. Para evitar esto, se diseñó una estructura metálica formada por 4 montantes que reciben directamente la carga de los gatos y la transmiten al terreno ya si a través de un muro de reacción contra el sostenimiento y por ende contra el macizo de roca. Estos perfiles quedaran atados en cabeza por una serie de perfiles formando una H rigidizándolos y que permiten absorber cualquier desalineación de las cargas.

El monitoreo de las obras subterráneas resulta de vital importancia para poder asegurar y controlar su correcta ejecución.

Las incertidumbres asumidas en la fase de diseño en cuanto a la asignación de comportamientos tensodeformacionales y a la determinación de la estructura geológica del emplazamiento, hacen imprescindible un análisis de la información que se va obteniendo durante la propia construcción que permita verificar o en su caso ajustar lo determinado durante las fases anteriores de estudio.

Foto 10. Emboquille de túnel ejecutado mediante hinca.

Estableciendo un sistema de medición de los desplazamientos que se producen durante y tras la ejecución de una excavación, se puede comprobar la estabilización de la sección y, sobre todo, es posible comparar las medidas reales con las previsiones de los cálculos efectuados para, en el caso de que exista una divergencia significativa, adoptar las medidas correctivas oportunas.

Asimismo resulta de especial interés llevar a cabo un control exhaustivo de los movimientos que la construcción de las obras subterráneas proyectadas pueda inducir.

Considerando todo lo anterior se desarrolló y siguió un Plan de Monitoreo en el que se han definido las principales magnitudes a medir, los equipos necesarios para su control, la frecuencia de medición, los criterios de interpretación y, por último, un plan de contingencia.

El Plan de Monitoreo está basado en un control exhaustivo de la calidad geomecánica del frente y de los desplazamientos inducidos en el entorno de las excavaciones a efectuar y sobre las infraestructuras próximas a la actuación. Comprende el control de los siguientes aspectos:

• El control geotécnico de la excavación se lleva a cabo caracterizándolo in situ, mediante la aplicación de una clasificación geomecánica. Se realizará, en cada pase, el estudio de la litología, estructura y calidad de los terrenos atravesados.
• Medidas de deformación en los piques que serán monitoreadas mediante secciones de convergencia. La Figura 19 se representa la distribución en el pique inmisario y el esquema de disposición en una sección tipo de medición de convergencias.

• Medidas de deformación en el terreno inducidas por las excavaciones proyectadas, que serán monitoreadas mediente inclinometros. Se dispone un inclinómetro en cada pique que queda empotrado bajo la cota de máxima excavación.

• Las obras de construcción comenzaron en enero de 2018 y finalizaron en marzo de 2021.
• Durante la excavación de los piques se constataron las hipótesis asumidas en cuanto a la baja permeabilidad del macizo y a la tramificación geotécnica de la excavación.
• La gestión de la extracción del escombro implicó las problemáticas clásicas en este tipo de obras, a partir de una cierta profundidad se emplearon medios de izado vertical.

Del diseño las obras geotécnicas en los pozos de la Desaladora Atacama se pueden extraer las siguientes conclusiones:

• Las conclusiones extraídas de la caracterización hidrogeológica del emplazamiento tuvo una muy elevada relevancia en las consideraciones de diseño de las obras dado que las mismas se emplazan holgadamente bajo la cota del nivel de mar. Las hipótesis adoptadas respecto a la baja permeabilidad del macizo resultaron acertadas.
• El diseño y ejecución de las obras subterráneas implicadas en el proyecto ha constituido un gran reto debido tanto a la simultaneidad de actividades que concurrieron durante la ejecución.
• La conjunción de un enfoque del desarrollo del proyecto con carácter global y la puesta en común de equipos multidisciplinares, permite el desarrollo de una ingeniería de detalle que define soluciones de elevadísima eficiencia desde los puntos de vista estructural y constructivo.