El desarrollo de modelos en 3D en los campos de la geología, geotécnica y medio ambiente

Introdução

¿Sabía usted que un 70% de los informes de investigación geológica, geotécnica y de medio ambiente no describen adecuadamente las condiciones del campo?

Miles de millones de Euros son invertidos anualmente en investigaciones de campo, pero los resultados no generan adecuadamente beneficios para los proyectos

En los trabajos geotécnicos de la represa de Itumbiara – Brasil, el geólogo americano John George Cabrera planificó un programa de sondeo con la finalidad de determinar la ubicación de una zona cizallada en los cimientos. Las rocas, compuestas por gneis de anfibolita, gneis de biotita y cuarcita habían sido sometidas a intenso tectonismo. Era necesario saber precisamente la distribución de la zona cizallada con el fin de inyectar lechada de cemento con adictivos para refuerzo de las fundaciones.

Usando informaciones obtenidas de métodos geofísicos y de sondeos, los técnicos del proyecto han estimado el volumen de lechada de cemento a ser utilizado, y añadieron un 20% como factor de seguridad. En el fin del proceso de ejecución se sorprendieron al notar que aquel volumen era de un 50% mayor que el esperado. Las estimativas se basaron en la extensión del área y en el índice RQD obtenido de la clasificación de los testigos de sondeos.

Los geólogos experimentados coordinados por Cabrera decidieron investigar los motivos de discrepancia de los volúmenes de inyección.

Ellos querían estar seguros de que los procedimientos adoptados habían sido adecuados ya que las fundaciones deberían soportar cargas de 31.500.000 metros cúbitos de tierra, más el paso de 16.000 metros cúbicos de agua por segundo a través del vertedero. Además, los resultados iban a ayudar a realizar mejores estimaciones en proyectos futuros y soportar nuevas metodologías de investigación.

Tras revisar toda la documentación y los informes técnicos, analizar y reclasificar los testigos de sondeo, y ejecutar secciones transversales más detalladas y nuevas medidas en el campo, la diferencia calculada fue de sólo un 5% menor que aquella inicialmente obtenida. Consecuentemente, no habían errores en las investigaciones, datos procesos o informes.

¿Qué es lo que estaba mal?

Este artículo va a responder esta pregunta, describir las antiguas técnicas de modelización, como evolucionaron y las tecnologías innovadoras que volvieron la modelización 3D la mejor alternativa para una comprensión precisa de los problemas en las áreas de geología, geotécnica y ambiental.

Métodos de investigação

Tradicionalmente, las investigaciones geológicas, geotécnicas y ambientales son ejecutadas a través de inspecciones in situ, recolectando muestras para análisis a fin de deducir estructura y litologías en subsuperficie. Era necesario entender la génesis de las estructuras y morfologías, proponiendo teorías sobre su evolución, y como se desarrollaron a lo largo del tiempo para lograr en actual escenario. Además, geólogos e ingenieros necesitaban determinar tensiones y deformaciones con seguridad. El planeta Tierra es una entidad compleja y presenta muchos retos para que se ejecuten estas tareas y, por ello, los geocientíficos desarrollaron muchos métodos y equipos para obtener resultados fiables.

Los procedimientos en estas investigaciones incluyeron recolección de datos usando imágenes aéreas, cartografía geológica y geotécnica, estudios geofísicos, explotaciones de la subsuperficie, test de materiales in situ y en laboratorio y muchos métodos más. Todos estos datos, por sí solo, no serían suficientes a menos que representaran estadísticamente la región bajo investigación. Sin embargo, la recolección de datos de cualidad siempre exige muchos recursos financieros y el presupuesto de los proyectos limita la cantidad de informaciones incorporada para análisis. La principal razón es que los inversores generalmente no se dan cuenta de que limitar los recursos en las fases iniciales de un proyecto afecta los factores de seguridad. Consecuentemente, se gastará más en el futuro para garantizar la seguridad o resolver las complicaciones.

Sin embargo, usar métodos adecuados de investigación y asegurar que los datos representen correctamente el sitio, no garantiza el éxito al tomar las decisiones del proyecto. Es necesario integrar y referenciar las informaciones permitiendo conclusiones adecuadas a favor del proyecto.

Modelo em 3D

Integración de datos

¿Qué es lo que falla en las conclusiones del equipo del Sr. Cabrera?

En proyectos de gran relevancia, los geocientíficos analizan una cantidad enorme de información. Todos estos datos, cuando analizados individualmente, aclaran atributos específicos, pero nada lo dicen a respecto a su interacción. Hay una gran variedad de datos, desde mapas geológicos, medidas estructurales de roca y suelo, datos geofísicos, para hacer un rol de algunos.

El proyecto de la represa de Itumbiara (Barragem de Itumbiara) fue ejecutado en los años 80 y la integración de datos fue ejecutada manualmente. Hubo, por ejemplo, comparación de secciones transversales con perfiles geofísicos, georreferenciación de datos sin mucha automatización, y sin el uso de las herramientas y técnicas que hoy se usan comúnmente. Por esta razón, una considerable cantidad de información se perdió afectando las estimativas.

Por ejemplo, para correlaciones perfiles geofísicos y datos de testigos de sondeo, fueron necesarias secciones transversales. Para determinar los efectos de fallo en la dirección perpendicular a ellas, se comparaba la clasificación RQD entre los testigos de sondeo alineados. Este proceso es extremadamente prolongado y sujeto a muchos errores de evaluación. Además, sabemos hoy en día que hay inherentes limitaciones en el uso del RQD. Rock Mass Rating (RMR) y el Q-system son sistemas de clasificación usados ampliamente y que incorporan RQD. Además, la práctica consideraba válidas las discontinuidades incipentes de tensiones en gneis y cuarcitas, resultando en menores valores de RQD. Sin embargo, una fuente de discrepancias derivaba del hecho de que muchos profesionales descuidaban el criterio de rocas sanas (hard and sound).

Normas y buenas prácticas resolvieron algunos de estos problemas, pero no cabe duda de que la automatización es el marco para una mejor comprensión de los sitios. Ella conduce a mejores evaluaciones y análisis de los datos, a un mejor juicio y posibilidad de rehacer los modelos con diversos parámetros de entrada.

Modelo de Fallos

Modelos em 3D

El interés en el uso de modelos tridimensionales para visualizar y resolver problemas de construcción existe desde la década de 1970. Antes de esta época, los inversores creaban modelos con fines publicitarios en salas de exposiciones y exhibiciones. Ellos construyeron modelos en plástico, madera u otros materiales adecuados para el montaje. Con el surgimiento de computadoras poderosas, el desarrollo de software para crear modelos ocurrió naturalmente. Así que el Computer Aind Design (CAD) se generalizó en la industria de la construcción. Nuevas tecnologías y computadoras aún más poderosas hicieron posible la modelización en 3D, y, en esta década, Building Information Modeling (BIM) se perfeccionó en la tecnología que hoy conocimos.

BIM no es solamente un software; es un concepto estructurado en diversos niveles. El nivel 0 se basa en proyectos en papel con elaboración cero; Nivel 1 incluye dibujos en 2D y alguna modelización en 3D; en el Nivel 3 hay trabajo en equipo con modelización en 3D; en los niveles 4, 5 y 6 son añadidos tarea, costes e informaciones de sostenibilidad. Cada nivel requiere software con más complejidad.

La extrapolación del concepto BIM para los campos de la geología, geotécnica y ambiental es natural como en otras industrias que requieren interpretación en 3D para encontrar, comprender y resolver problemas. Sin embargo, como estos campos involucran materiales derivados de la naturaleza, la complejidad de los softwares es aún mayor. Por ejemplo, modelos geológicos frecuentemente integran diversos tipos de datos, tales como curvas sísmicas en 2D y 3D, datos de pozos de investigación, perfiles gravitacionales, estudios magnéticos, y datos de sondeos. Diversos tipos de formatos de archivo representan estos datos, aunque internamente el propio software hace las conversiones y ellos son georreferenciados y sus interconexiones establecidas.

Movimiento de Fluidos Geotérmicos

El software contiene algoritmos para generar los modelos usando superficies para definir fallos y litologías. Él calcula bloques de fallos y superficies intermedias basado en otras superficies de referencia, y modela sistemas de sistemas de intrusión que se curvan doblan y se bifurcan. Aplicando los datos estructurales, influencia la geometría de las superficies, definiendo sus relaciones en el sistema de fallos. Encima genera isosuperficies a partir de datos de sondeos y de puntos, permitiendo la visualización de tendencias angulares y continuidades. Además, genera automáticamente secciones transversales y cortes, añadiendo transparencias para visualización interna.

Muchas funcionalidades ya están disponibles, como generar y salvar escenas en 3D y generar imágenes para inclusión en informes. Sin embargo, la mayor contribución agregada por los softwares de modelización en 3D es la posibilidad de colaboración en el proyecto del equipo de desarrollo y todos los otros miembros involucrados. La centralización de datos, recursos e historial en sistemas de Cloud, sin límites de espacio, aumenta considerablemente el progreso de los proyectos y su fiabilidad.