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Orbis Terrarum atesora una importante experiencia en la elaboración de estudios geotécnicos para plantas fotovoltaicas

Especificaciones técnicas para la solicitud de un estudio geológico-geotécnico en plantas fotovoltaicas

Fernando Puell Marín, Dr. Ingeniero de Caminos Canales y Puertos, Orbis Terrarum / José Alberto López Chinarro, Ingeniero Geólogo y EuroGeólogo, Orbis Terrarum13/09/2016

Las plantas fotovoltaicas son instalaciones que normalmente ocupan una gran superficie de terreno. Esto puede dar lugar a que las condiciones geológicas y geotécnicas cambien dentro de la misma instalación. Por este motivo es necesario un correcto diseño de campaña geotécnica que reduzcan las incertidumbres geológicas. En este artículo se aportan recomendaciones basadas en la amplia experiencia de Orbis en estudios geotécnicos para plantas fotovoltaicas en numerosos países.

1.- Introducción

En este documento se dan recomendaciones para el diseño de una correcta campaña de investigación geológica y geotécnica para nuevas plantas solares fotovoltaicas, PV plants por sus siglas en inglés. Son recomendaciones basadas en la experiencia de Orbis Terrarum tras la investigación de más de 100 plantas solares en diversos países del mundo y más de 2.500 MW construidos.

La optimización de costes y plazos está presente en el tipo de investigaciones propuestas.

Siempre es necesario un buen estudio geológico y geotécnico que acompañe al proyecto de una planta solar fotovoltaica para facilitar datos válidos para el diseño y para evitar riesgos y problemas a largo plazo durante la operación de la planta. No hay que olvidar, además, la necesidad formal o administrativa derivada de las garantías durante los procesos de financiación o compra-venta.

Entre los aspectos que, sin duda, debe recoger el estudio geotécnico se pueden mencionar:

  • Zonificar los distintos tipos de terreno en función de la geología y acotar las zonas no válidas para la instalación de módulos.
  • Definir la viabilidad de la hinca para la sustentación de los módulos.
  • Analizar el potencial de corrosión del suelo a los aceros y hormigones.
  • Aportar datos de resistividad eléctrica para el diseño de la red de puesta a tierra.
  • Aportar parámetros propios de la mecánica del suelo como la resistencia y la deformabilidad del terreno que se utilizarán en el diseño de las cimentaciones.
  • Evaluar la excavabilidad del terreno y la maquinaria de excavación recomendada.
  • Recomendar la inclinación de taludes que sean estables para las excavaciones.
  • Proporcionar tensiones admisibles para cimentaciones superficiales.
  • Evaluar la resistencia de cimentaciones profundas que serán confirmadas con ensayos del tipo pull-out.
  • Detectar riesgos geológicos o del propio terreno como sismo, colapsabilidad, inundabilidad, zonas erosionables, deslizamientos de laderas preexistentes, karst, etc.
  • Detectar rellenos antrópicos o posibles contaminaciones del terreno.
  • Detectar la posición del nivel freático y definir los principales aspectos hidrogeológicos.

En los siguientes apartados se analizan los reconocimientos de campo, los ensayos de laboratorio y el contenido de los informes, aportando una medición que pueda servir a los promotores y desarrolladores de las plantas fotovoltaicas como primera aproximación a la hora de solicitar un presupuesto de estudio geotécnico.

En ocasiones estos estudios se deberán completar con estudios específicos de líneas de transmisión, subestaciones eléctricas o caminos de acceso hasta la planta, todos ellos generalmente sujetos a algún tipo de regulación local.

2.- Reconocimientos de campo

2.1. Levantamiento geológico y calicatas

Será necesario realizar un levantamiento geológico de la superficie, basado en la geología regional, y apoyándose en los afloramientos de los distintos tipos de terreno, en los reconocimientos directos, y en los resultados de otras técnicas indirectas de tipo geofísico como la tomografía eléctrica. En los afloramientos rocosos se realizarán estaciones geomecánicas para valorar el grado de meteorización, la fracturación y la estructura del macizo rocoso.

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Fig. 1: Plano de zonificación geológica realizado por Orbis Terrarum.

Los reconocimientos directos suelen realizarse mediante calicatas mecánicas hasta 3,5 m de profundidad de forma que se supere la profundidad de hincado de los futuros perfiles metálicos que, en la práctica, sirven de sostenimiento a los paneles fotovoltaicos y que permitan conocer el terreno sobre el que se apoyarán otros elementos principales de las instalaciones como los inversores o pequeños edificios auxiliares. Durante la ejecución de las calicatas, el geólogo tomará muestras representativas del terreno y registrará la geología y aspectos medioambientales como rellenos antrópicos o una eventual contaminación del terreno. En el caso de encontrar agua, se tomarán muestras de agua para ensayar la agresividad de las mismas.

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Fig. 2: Detalle de calicata mecánica para inspección y toma de muestras del terreno.
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Fig. 3: Plano de viabilidad de hinca realizado por Orbis Terrarum.

Aunque no es habitual, se pueden complementar las calicatas con sondeos profundos con recuperación de testigo, ensayos de infiltración en determinadas circunstancias, ensayos de sísmica de refracción y pasiva tipo ReMi para emplazamientos de alto riesgo sísmico, o incluso el empleo de georadar. Concretamente, Orbis ha empleado el georadar para la detección de restos arqueológicos y servicios enterrados.

Para prever la ubicación de los reconocimientos habrá que conocer los posibles servicios enterrados existentes, previo al inicio de los reconocimientos, y en el caso de las calicatas dejarlas adecuadamente tapadas a la finalización.

2.2 Resistencia del terreno a la penetración

Con el fin de investigar la posibilidad de hinca y zonificar el terreno a estudiar, el elemento más idóneo por economía y facilidad de ejecución es el penetrómetro dinámico, y entre ellos es muy habitual emplear penetrómetros ligeros tipo Panda2 por su correlación con el valor del ensayo SPT, especialmente en terrenos de difícil acceso, o los penetrómetros pesados tipo DPSH si no se dispone de la anterior herramienta.

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Fig. 4: Penetrómetro Panda2 y registro de penetración obtenido.

Con el penetrómetro se puede conocer la resistencia a la penetración y aporta datos de la resistencia de los distintos niveles geológicos atravesados y observados en las calicatas. En este sentido es muy importante conocer el espesor de suelo vegetal ya que, aunque no se suele retirar, especialmente en parcelas llanas y horizontales, no se debe contar con su contribución al sostenimiento de los perfiles metálicos de cimentación y, por tanto, no se debe considerar esta profundidad del terreno como parte resistente.

2.3. Análisis de la deformabilidad del terreno

Cuando se quiere conocer la categoría de la explanada de los caminos o investigar con mayor detalle la deformabilidad de cimentaciones superficiales se cuenta con herramientas como la placa dinámica alemana, o el ensayo CBR in situ. Ambos permiten hacer varios ensayos de forma rápida y eficaz en un solo día, especialmente en el caso de terrenos no saturados.

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Fig. 5: Placa de carga dinámica Zorn.
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Fig. 6: Ensayo CBR in situ.

Si el terreno cercano a la superficie se encuentra saturado será necesario realizar ensayos de carga estática sobre placa, si bien son más lentos que los ensayos de placa dinámica, y necesitan disponer de un elemento de reacción como un camión. En el caso de terrenos arcillosos saturados y cargas superficiales que trasmitan tensiones elevadas, circunstancia ésta que no se suele dar en este tipo de proyectos, habría que acudir, por ejemplo, a ensayos edométricos sobre muestras inalteradas para evaluar la consolidación con el tiempo.

2.4. Análisis de la resistividad eléctrica

La investigación más habitual es la tomografía eléctrica con un dispositivo Wenner de 42 electrodos equidistantes. Este dispositivo permite, a lo largo de una alineación de la superficie donde se hace el ensayo, obtener datos para el diseño de la red de tierras y estimar la resistividad eléctrica de las distintas capas de terreno, que resulta ser un parámetro imprescindible para el conocimiento de la corrosión de los aceros. Adicionalmente, permite interpretar la geometría de los contactos geológicos y detecta la posición del nivel freático. Menos habitual son los ensayos S.E.V. porque tan solo aportan la distribución de la resistividad bajo un punto del terreno, si bien alcanzan mayor profundidad.

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Fig. 7: Ensayo geofísico de tomografía eléctrica.
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Fig. 8: Interpretación de un perfil de tomografía eléctrica en términos geológicos y en función de la corrosividad catódica.

3.- Mediciones recomendadas

En la siguiente tabla se aportan los reconocimientos mínimos que deben realizarse en función de la superficie. Estos reconocimientos deberán incrementarse en función de la dificultad intrínseca de cada parcela. Todos estos reconocimientos han de estar supervisados continuamente por un geólogo o ingeniero geólogo que conozca el fin buscado y los detalles del proyecto.

Superficie (Ha) Calicatas Penetrómetros Placas Tomografía Eléctrica
<2 3-5 3-5 2-3 1-2
2-5 5-8 5-8 3-4 2-4
5-10 8-14 8-14 4-7 4-6
10-30 14-25 14-25 7-13 6-12
30-100 25-40 25-40 13-20 12-20
100-300 40-60 40-60 20-30 20-30

 

Tabla 1. Número de investigaciones recomendadas según el tamaño de la planta.

Los reconocimientos propuestos por Orbis Terrarum son una base sobre la cual la empresa geotécnica puede proponer que sean complementados con otro tipo como los sondeos con recuperación de testigo, ensayos de infiltración de agua, ensayos de resistividad térmica para conocer la disipación del terreno natural en el que irán alojados los conductores o ensayos sísmicos de refracción y/o de sísmica pasiva tipo ReMi en el caso de emplazamientos con alto riesgo sísmico.

4.- Ensayos de laboratorio

Los ensayos de laboratorio se pueden dividir en tres grupos. El primer grupo corresponde con los de identificación y estado que nos permiten conocer el tipo de suelo. En el segundo grupo están los ensayos mecánicos para conocer la resistencia y deformabilidad de los materiales, sean suelos o rocas. Finalmente, el tercer grupo sería el de los ensayos químicos para evaluar la corrosividad del suelo y el agua a los aceros y los hormigones. La petición final de ensayos la debe realizar el geólogo encargado del estudio en función de la naturaleza de los materiales encontrados, especialmente si son o no cohesivos.

A modo orientativo, en la siguiente tabla, se establece una pauta de ensayos a realizar:

Ensayo Por cada 5 muestras
Granulometría por tamizado 5
Límites de Atterberg 5
Determinación de la humedad de un suelo 5
Densidad seca y aparente 1
Ensayo de corte directo 0,5
Ensayo de compactación Proctor 0,25
Ensayo CBR 0,25
Ensayo de carga puntual Franklin(PLT) 0,7
Densidad de una roca 0,7
Determinación del contenido de sulfatos solubles en agua 1
Determinación del contenido de sales solubles totales 1
Determinación del contenido de materia orgánica 1
Determinación del valor del pH en suelo 1
Determinación del grado de acidez Baumann-Gully 0,5
Determinación del contenido de carbonato 1
Determinación del contenido en yesos 0,5
Determinación del potencial Redox 1
Determinación de agresividad de las aguas 1

 

Tabla 2. Número de ensayos de laboratorio recomendados por cada cinco muestras.

5.- Informes

Los informes geológicos y geotécnicos se pueden dividir en informes de trabajos realizados, de factibilidad o viabilidad, e informes finales. Es habitual entregar un informe ‘factual’ con los reconocimientos de campo realizados previamente a la entrega del informe geotécnico de viabilidad o final.

Los informes de viabilidad contendrán una parte de los reconocimientos, necesarios para definir la geología, las zonas óptimas y la viabilidad de la hinca. El global de datos de campo y laboratorio vendrá incluido en el informe final. En él se definirá la tipología y zonificación para la cimentación; en el caso de que no sea posible como primera opción la hinca de perfiles metálicos, se explorarán otras posibilidades como la ejecución de un preforo, el empleo de tornillos, o la cimentación directa. En el caso de terrenos rocosos se acudirá a micropilotes o cimentaciones directas.

En los informes finales, además, se realizarán tomografías eléctricas y ensayos de laboratorio que permitan evaluar la corrosión de los aceros y la agresividad a los hormigones, que definan los parámetros de resistencia y deformabilidad del terreno y que, en conjunto, permitan tener un modelo geológico y geotécnico completo.

Estos informes finales recogerán pormenorizadamente la formación del modelo geológico e hidrogeológico y los posibles riesgos, incluido el sismo, la caracterización geotécnica de los terrenos encontrados, los cálculos de las cimentaciones y elementos de contención si los hubiera, los cálculos de estabilidad de los taludes y zanjas, la definición de la velocidad de corrosión, los aspectos de agresión a los hormigones, la excavabilidad de los materiales y maquinaria recomendada, recomendaciones de tipología de cimentación y parámetros del terreno para la definición de la red de tierras.

Es importante que el informe aporte perfiles geológicos con los aspectos más significativos y que incorpore todos los registros tanto de los reconocimientos de campo como de los ensayos de laboratorio.

Los plazos habituales que se contemplan en este tipo de estudios, aunque es variable con el tamaño, son de 1 ó 2 semanas para los reconocimientos de campo en función de la magnitud del proyecto, 2 semanas para los ensayos de laboratorio y la interpretación de la geofísica con tomografía eléctrica, y de 1 semana más para la redacción del informe geológico - geotécnico final.

Comentarios al artículo/noticia

#1 - Luis Miguel Alvarado
15/09/2016 16:08:53
Muy interesante este articulo,sobretodo para definir criterios técnicos adecuados para este tipo de proyectos

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