Hydrogeomechanics for rock engineering: coupling subsurface hydrogeomechanical assessement and hydrogeotechnical mapping on fracturated rock masses

Abstract

The present work aims to achieve and further develop a hydrogeomechanical approach in Caldas da Cavaca hydromineral system rock mass (Aguiar da Beira, NW Portugal), and contribute to a better understanding of the hydrogeological conceptual site model. A collection of several data, namely geology, hydrogeology, rock and soil geotechnics, borehole hydraulics and hydrogeomechanics, was retrieved from three rock slopes (Lagoa, Amores and Cancela). To accomplish a comprehensive analysis and rock engineering conceptualisation of the site, a multi‐technical approach were used, such as, field and laboratory techniques, hydrogeotechnical mapping, hydrogeomechanical zoning and hydrogeomechanical scheme classifications and indexes. In addition, a hydrogeomechanical data analysis and assessment, such as Hydro‐Potential (HP)‐Value technique, JW Joint Water Reduction index, Hydraulic Classification (HC) System were applied on rock slopes. The hydrogeomechanical zone HGMZ 1 of Lagoa slope achieved higher hydraulic conductivities with poorer rock mass quality results, followed by the hydrogeomechanical zone HGMZ 2 of Lagoa slope, with poor to fair rock mass quality and lower hydraulic parameters. In addition, Amores slope had a fair to good rock mass quality and the lowest hydraulic conductivity. The hydrogeomechanical zone HGMZ 3 of Lagoa slope, and the hydrogeomechanical zones HGMZ 1 and HGMZ 2 of Cancela slope had a fair to poor rock mass quality but were completely dry. Geographical Information Systems (GIS) mapping technologies was used in overall hydrogeological and hydrogeomechanical data integration in order to improve the hydrogeological conceptual site model.A presente investigação apresenta como objectivo melhorar o conhecimento e a compreensão do comportamento hidrogeomecânico do maciço rochoso fracturado da área das Caldas da Cavaca (Aguiar da Beira, Portugal Central). Para tal, foram avaliadas as características hidrogeológicas, hidrogeotécnicas e hidrogeomecânicas de três taludes rochosos, bem como de duas sondagens hidrogeológicas através de uma metodologia composta por quatro fases fundamentais. Foi retomado todo o conhecimento prévio sobre a cartografia, a hidroclimatologia, a geologia, a morfotectónica, a hidrologia e as investigações idrogeotécnicas “in situ” da área. Por fim, foram aplicadas classificações hidrogeomecânicas em meios rochosos fracturados, índices geotécnicos e esquemas classificativos geomecânicos aos taludes rochosos estudados e foi estudada, complementarmente, toda a informação de furos de captação de água subterrânea. Desta forma, foi possível obter os parâmetros necessários para definir o zonamento hidrogeomecânico e, consequentemente, redefinir a proposta de um modelo hidrogeológico conceptual com o enfoque da parametrização hidrogeomecânica do maciço rochoso. Numa primeira fase, foram delimitados os taludes de estudo na zona das Caldas da Cavaca, seleccionando‐se o talude da Lagoa, o alude dos Amores e o talude da Cancela. O estudo dos taludes foi iniciado com a recolha de dados em, principalmente, três vertentes distintas: i) dados cartográficos, relativos à topografia local, fotogeologia, geologia estrutural, geomorfologia, hidrologia e climatologia; ii) dados de campo e laboratoriais, adquiridos através da execução da técnica de amostragem linear, inventário hidrogeológico, ensaios de resistência à compressão uniaxial, com objectivo de reunir dados sobre as condições geológico‐ geotécnicas, hidrogeotécnicas e geomecânicas das descontinuidades e rede da fracturação, bem como a compilação de todos os dados hidráulicos dos furos de captação de água e aspectos hidrodinâmicos; iii) dados bibliográficos, artigos, mapas antigos, referências locais e regionais. O segundo estágio teve como objectivo a compilação e síntese de dados, através da descrição eológica dos taludes estudados (litologia, grau de alteração, grau de fracturação, características das descontinuidades e hidrogeologia), agrupando, sintetizando e definindo zonas hidrogeomecânicas com base na presença de água (características de drenagem, idrogeologia e hidrogeotecnia). Neste estágio, foram definidas as seguintes zonas hidrogeomecânicas (HGMZ): i) o talude da Lagoa, constituído por dois taludes descontínuos, apresentando o primeiro uma extensão de 268 m, o qual foi subdividido em quatro HGMZ apresentando, a zona HGMZ 1 o maior fluxo de água, seguindo‐se as zonas HGMZ 2 e HGMZ 3, as quais não apresentam qualquer fluxo de água; a zona HGMZ 4 compreende todas as secções do talude nas quais não foi possível a aquisição de dados das descontinuidades, pelo facto de o maciço se encontrar extremamente alterado (W5) ou de estar coberto de vegetação, tornando‐o inacessível; o segundo talude, com uma extensão menor, 39 m, pertence inteiramente à zona HGMZ 3 por não apresentar nenhum fluxo de água; ii) o talude dos Amores, com uma extensão de 126 m, no qual foram definidas duas HGMZ, apresentando a zona HGMZ 1 um baixo fluxo de água e a zona HGMZ 2 características idênticas à zona HGMZ 4 do talude da Lagoa; iii) o talude da Cancela divide‐se, igualmente, em dois taludes, o primeiro com uma extensão de 39 m e o segundo com uma extensão de 12 m; ambos os taludes foram incluídos na mesma HGMZ, uma vez que não apresentaram qualquer fluxo de água. Numa terceira fase, e após reunidas as características de cada zona hidrogeomecânica, foram aplicadas várias classificações para determinar a qualidade do maciço rochoso, bem como o seu comportamento hidráulico. No cômputo de todas as zonas, a zona HGMZ 1 do talude da Lagoa obteve valores mais levados de condutividade hidráulica, assim como os valores mais baixos de qualidade do maciço. Seguiu‐ se a zona HGMZ 2 do talude da Lagoa com valores baixos a razoáveis de qualidade do maciço e valores baixos de condutividade hidráulica. Considerando todas as zonas com fluxo de água, o talude dos Amores obteve os valores mais baixos de condutividade hidráulica, em conjunto com uma qualidade do maciço razoável a boa. A zona HGMZ 3 do talude da Lagoa, bem como as zonas HGMZ 1 e HGMZ 2 do talude da Cancela obtiveram valores razoáveis a bons de qualidade do maciço, mas não apresentaram qualquer fluxo de água. Na última fase, com os dados previamente obtidos e com recurso à utilização das tecnologias dos sistemas de informação geográfica (SIG), foram elaborados vários mapas descrevendo a qualidade do maciço rochoso (RMR, SMR), índices geotécnicos (RQD, GSI) e índices/classificações hidrogeomecânicas (HP‐Value, HC‐System), mas agrupando, igualmente, as características de qualidade do maciço com a presença de água. Desta forma obteve‐se uma cartografia do índice hidrogeomecânico HP‐Value e da qualidade do maciço rochoso que reflectem o comportamento geohidraúlico do maciço rochoso. Por fim, inseriram‐se e cruzaram‐se, em ambiente SIG, todos os dados obtidos, melhorando, desta forma a definição de algumas características hidráulicas do modelo hidrogeológico conceptual da área das Caldas da Cavaca