Metodología para la modelación hidrogeológica de medios fracturados
Authors:   , Martínez Landa Lourdes 
Published: July 2023

Los medios fracturados de baja permeabilidad (MFBP) pueden definirse como una matriz impermeable atravesada por una cantidad mayor o menor de fracturas conductivas. La experiencia indica que la mayor parte del flujo circula solo por unas pocas de estas fracturas, característica que marca el comportamiento del medio. Por esto, es necesario caracterizar estas fracturas para comprender el sistema.<br/>Desgraciadamente, no existe una metodología ampliamente aceptada para ello, en este contexto el objetivo de esta tesis es triple:<br/>1. Definir una metodología para modelar este tipo de medios <br/>2. Explicar cómo la modelación explícita de las principales fracturas ayuda a explicar el efecto escala.<br/>3. Aplicar esta metodología a dos casos reales: FEBEX en Grimsel y Mina Ratones en Cáceres.<br/>La tesis está formada por tres artículos independientes pero complementarios, que se describen a continuación.<br/>En el primero se presenta la metodología para identificar las fracturas hidráulicamente más importantes. El método se basa en la interpretación de los ensayos de interferencia, y se apoya en los datos de geología, geofísica y ensayos hidráulicos. La metodología se ha aplicado en la caracterización hidrogeológica del bloque granítico que rodea al experimento FEBEX, en Suiza. La caracterización de este medio comienza por la identificación geométrica de las fracturas, basada en datos geológicos y geofísicos. Los ensayos hidráulicos de sondeo único ayudan a descartar aquellas fracturas no transmisivas, pero las conectividades entre puntos y la extensión de las fracturas se realiza mediante ensayos de interferencia. La geometría resultante se reproduce con un modelo 3D, donde los planos de fractura se representan con elementos 2D incluidos en la matriz 3D (matriz más fracturación menor). Los parámetros hidráulicos se obtienen de la interpretación conjunta de todos los ensayos de interferencia con modelos numéricos 3D, utilizando técnicas de calibración y ajustando todas las medidas simultáneamente. Siguiendo la misma metodología se ha podido reproducir los niveles en estacionario e incluso cuantificar el flujo de agua hacia la zona experimental de la galería FEBEX.<br/>Una característica de los MFBP es que al aumentar el volumen de roca ensayado, la conductividad hidráulica equivalente obtenida aumenta. En el entorno de la galería FEBEX se han llevado a cabo diferentes tipos de ensayos hidráulicos (pulsos, recuperación, interferencia, etc.). Estos ensayos se han interpretado utilizando métodos convencionales, en los que se asume que el medio es homogéneo, y las conductividades hidráulicas obtenidas como resultado muestran un efecto de escala (aumentan en órdenes de magnitud con el volumen de roca ensayado). El objetivo de este trabajo es mostrar que este efecto de escala refleja las limitaciones de la conductividad hidráulica equivalente derivada de la interpretación de los ensayos con modelos homogéneos. Para alcanzar este objetivo se ha utilizado la metodología descrita en el artículo anterior. En resumen, el modelo final es coherente con todas las medidas tomadas a diferentes escalas. La mayor parte de los ensayos a pequeña escala se han realizado en intervalos situados en matriz, esto hace que la conductividad hidráulica equivalente promedio sea pequeña. Al aumentar la escala el ensayo afecta a más fracturas, con lo que aumenta la conectividad del sistema haciendo que la conductividad hidráulica equivalente aumente. <br/>Finalmente, la metodología propuesta se aplica a la caracterización hidráulica de la mina de uranio "Los Ratones". Para verificar que la caracterización hidráulica ha sido satisfactoria, se ha realizado la predicción a ciegas de un bombeo a gran escala desde la mina. Los resultados obtenidos con esta simulación muestran unos buenos ajustes de los puntos de observación al bombeo desde la mina. Esto confirma la robustez y fiabilidad del modelo, y por lo tanto de la metodología utilizada.
Low permeability fractured media (LFFM) can be viewed as consisting of a virtually impervious matrix transversed by more or less conductive fractures. <br/>Experience dictates that a few of these concentrate most of the flow, this controlling the overall behaviour of the medium. Therefore, they need to be characterized for proper understanding of the system. Unfortunately, no widely accepted methodology is available to this end. In this context the objective of this thesis is three fold: <br/>1. Define a methodology to model this type of media. <br/>2. Explain how the explicit modeling of hydraulically dominant fracture helps in explaining scale effects.<br/>3. Apply the methodology to two real case studies: the FEBEX at Grimsel and the Ratones mine.<br/>The thesis consists of three independent but complementary papers. They are described below.<br/>First, I present a methodology to identify the most significant water conductive fractures. The method is based on the interpretation of cross-hole tests, and is supported by geology, geophysics and hydraulic data. This methodology has been applied to the hydrogeological characterization of a granitic block within FEBEX experiment, Switzerland. Characterising this medium starts by achieving a geometrical identification of the fractures, which demands mainly geological and geophysical data. Single borehole hydraulic tests help in neglecting those transmissive fractures, but the only means to assess the connectivity between points and the fractures extent consists of conducting cross-hole tests. The resulting geometry is later implemented into a 3D finite element mesh, where the fractures are simulated as 2D elements that are embedded into a 3D porous media that includes the effect of minor fractures. Hydraulic parameters have been obtained from the joint interpretation of cross-hole tests with 3D numerical models, using automatic calibration techniques and adjusting all the measurements simultaneously. This methodology has proved capable of reproducing steady state heads, and also of quantifying groundwater flow to the experimental area of the FEBEX tunnel.<br/>Different types of hydraulic tests (pulse, recovery, cross-hole and tunnel inflow measurements) have been performed in low permeability fractured granite around the FEBEX tunnel in Grimsel (Switzerland). We have interpreted the tests using conventional methods that treat the medium as a homogeneous one. Results display scale effects. Hydraulic conductivities increase, by orders of magnitude, with the volume of rock tested (from pulse to cross-hole tests). The objective of our work is to show that this scale effect is apparent. It reflects the limitations of the equivalent hydraulic conductivity derived from the homogeneous model interpretation of the tests.<br/>For this purpose, we have used the methodology described in the first paper. In summary, the final model is consistent with all the relevant measurements, taken at different support scales. This provides some insight into the issue of scale effects, which has been a topic of debate in the literature. In essence, the majority of small scale tests are performed in matrix intervals. Thus, any averaging of these values would suggest relatively small effective permeability. Yet large scale permeability of the rock is controlled by a few fractures, which provide high connectivity to the system, but are intersected by few testing intervals. As a result, large scale permeability is qualitatively different and quantitatively larger than small scale permeability.<br/>Finally, the proposed methodology is applied to the hydraulic characterization of the "Los Ratones" uranium mine. To verify that the site characterization is satisfactory, a blind-prediction has been carried out with the data recorded during a large-scale pumping test from the mine. The results obtained with this simulation show a good response to the mine pumping, so that both the robustness and reliability of the model are confirmed.