Anuario de la Sociedad Cubana de Geología, No 1, 2013, págs. 145-150, ISSN 2310-0060

CRITERIOS PARA LA CARACTERIZACIÓN DE FACTORES INTERVENTORES DE LA ESTABILIDAD DE TALUDES EN ZONAS DE MONTAÑA

ERNESTO ROCAMORA ÁLVAREZ Instituto de Geofísica y Astronomía Calle 212 No. 2906 e/ 29 y 31, La Lisa, Ciudad de La Habana 11600, Cuba.

Correo: [email protected] RESUMEN Cuando se utilizan métodos de cálculo de la estabilidad de taludes en obras de ingeniería, los criterios para la caracterización de los factores interventores han resultado muy efectivos, y han sido indispensables para los procedimientos de pronóstico del peligro de ocurrencia de movimientos de masas aún a escalas de proyecto. En casos estudiados, el factor litológico y las propiedades físico-mecánicas dieron como resultado un diseño de los taludes con una configuración de pendientes mayores a 60º, lo que respondió favorablemente al factor de seguridad. Sin embargo, la erosión superficial del talud provocó el cambio de su configuración por retroceso del borde de corona y la socavación, resultando una condición inestable, que exigió un rediseño global. En otros macizos de rocas terrígenas con intercalaciones de rocas duras, se conformaron taludes sobre el cálculo de la estabilidad global, en los cuales al no considerar la dinámica de la erosión diferencial progresiva, su retroceso significó el desprendimiento de las rocas duras intercaladas. Las modificaciones del escurrimiento pluvial hicieron que las aguas superficiales drenaran temporalmente paralelas a la base de los taludes, provocando su saturación y ocasionando no pocos deslizamientos locales y fallas progresivas, que determinaron la modificación del criterio de estabilidad del macizo y el diseño del sistema de drenaje pluvial. Estos criterios, entre otros, han sido temas de evaluación introducidos en los procedimientos de pronóstico de ocurrencia de este tipo de peligros.

ABSTRACT Methods to calculate slope stability in civil engineering works, requires the selection of certain criteria featuring different factors, which may very effective, and crucial in preparing procedures for forecasting mass movement at projected scales. The investigation presented here found that, in some cases, lithology and physical-mechanical properties of the rocks were utilized as criteria to design slopes with gradients greater than 60 degrees, which was very useful to improve safety or strength. However, erosion changes in the configuration of the slope surface, resulted in unstable condition demanding a complete redesign of the slope. In rock sections of interbedded terrigenous (less indurate) and indurate rocks, slope calculations did not took into account progressive differential erosion, therefore with time the indurated rocks fragmented and felt to the base of the slope. Modifications of fluvial runoff made surface water drained temporarily parallel to the slope basement, causing rock saturation, local landslides and progressive failure. All this processes required a new approach on the design of massif stability slopes. These new assessment criteria, among others, have been integrated into the procedures to forecast landslide hazards.

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E. Rocamora Álvarez INTRODUCCIÓN Desde el año 2002, después de presentado el proyecto “Pronóstico de ocurrencia de fenómenos físico-geológicos: hinchamiento de las arcillas y deslizamientos de taludes y laderas, a partir de su evaluación ingeniero-geológica” (Rocamora et al., 2001), se ha estado utilizando este procedimiento para el pronóstico de movimientos de masas en taludes y laderas, a partir de una evaluación de los factores interventores, donde el peso informativo que ellos aportan a la dinámica de los fenómenos los jerarquiza y los hace relevantes dentro del proceso de caracterización. La base de datos utilizada, tanto para la puesta a punto de dicho procedimiento de pronóstico como de la posterior validación, se ha ido incrementando con su propia aplicación, a la vez que se ha optimizado con la descripción y análisis de los factores en diversos medios y condiciones de los macizos. En este trabajo se referencian varios proyectos de urbanización en zonas de montañas bajas, en ejecución, que como elemento importante estaba el emplazamiento de objetos de obra y edificaciones en taludes y laderas, para los cuales se realizaron los cálculos de estabilidad ante deslizamientos. La complejidad de varios de los factores interventores de la estabilidad de taludes y su evaluación, hicieron que no se reflejara la verdadera incidencia de ellos sobre las condiciones de estabilidad y por ello la ocurrencia de procesos desfavorables a los objetos emplazados.

GENERALIDADES Según la dinámica constructiva y de ejecución de los proyectos, los aspectos básicos de proyección de la cimentación de los objetos de obra fueron valorados de acuerdo a los criterios de estabilidad global de los taludes, usando en muchos casos, los modelos de cálculo tradicionales. Asimismo, fueron evaluadas las condiciones de sobrecarga en la corona de los taludes, la estabilidad de las capas de sedimentos de cobertura ante los procesos de movimientos de reptación y la estabilidad ante cargas dinámicas. Una vez en ejecución los proyectos, fueron realizados los cortes, desmontes y movimientos de tierra emplazando en varios casos los elementos de contención sugeridos por la evaluación de estabilidad y ajustando la configuración de los taludes a los diseños más estables según las evaluaciones realizadas (Fig. 1). El avance de la ejecución de las obras puso de manifiesto varios procesos en los taludes y laderas, derivados de las condiciones impuestas por la configuración antrópica y por la interrelación entre los factores interventores en la estabilidad del macizo. Estos procesos establecieron nuevas relaciones en el equilibrio de fuerza y de empujes, con una tendencia a un estado desfavorable en cuanto a estabilidad. Aplicando el procedimiento de pronóstico basado en la evaluación de los factores interventores desde un criterio ingeniero-geológico, se pudieron establecer una serie de 146

Figura 1. Conformación de taludes en los proyectos en ejecución

aspectos de análisis donde estos factores fueron evaluados de manera más detallada que su intervención como parámetros de los modelos de cálculo.

DISCUSIÓN DE LA CARACTERIZACIÓN DE LOS FACTORES INTERVENTORES Las situaciones descritas durante el levantamiento ingenierogeológico y donde se evaluaron los factores interventores en la estabilidad de los macizos, se agrupan en los siguientes aspectos: • Litología y sedimentos de cobertura, considerando la capacidad de modificación de las capas de meteorización en condiciones de taludes. • Estratificación dada por intercalaciones de rocas blandas y duras, independientemente del buzamiento. • Escurrimiento de las aguas superficiales por el talud o ladera. Todos ellos parten de la intervención antrópica en los territorios para la conformación de taludes, aunque no se descartan algunas referencias en laderas sin acciones constructivas directas. Litología y sedimentos de cobertura, considerando la capacidad de modificación de las capas de meteorización. Se ha evaluado la estabilidad global del talud a construir a partir del análisis del macizo en etapas previas a la ejecución del proyecto y utilizando los modelos de cálculo. Los parámetros físico-mecánicos de cálculo fueron obtenidos de investigaciones ingeniero-geológicas basadas en la perforación de calas sin levantamientos complementarios. En los macizos se conformaron los taludes bajo un factor de seguridad (FS) suficiente, diseñando las pendientes del orden de los 60º y en algunos sectores se han utilizado cubiertas de hormigón ancladas, como elementos de protección y contención. Esta configuración del talud no resultó totalmente estable. Las capas superficiales sufrieron cambios bajo condiciones del

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FACTORES INTERVENTORES DE LA ESTABILIDAD DE TALUDES

Figura 2. Taludes erosionados donde fueron emplazados elementos de contención.

intemperismo facilitando la ocurrencia de una erosión intensa, que significó en algunos casos el retroceso del borde de corona y la socavación del terreno por detrás del muro de contención (Fig. 2). Bajo estas condiciones la estabilidad global, por deslizamiento al pie del talud, se mantiene favorable con la tendencia a aumentar su FS por la inclusión del muro de contención. Sin embargo, el retroceso del borde de corona y la socavación del muro de contención implican una disminución del FS a valores marginales de estabilidad al considerar la carga de las edificaciones, ahora más cercanas al borde en la corona, y al descartar la influencia del muro, que en caso de avance de la erosión puede llegar a representar una carga adicional a favor del deslizamiento. El análisis de factores del procedimiento de pronóstico clasifica la situación como “nivel alto de peligro” lo que recomienda la aplicación de modelos de cálculo de estabilidad. Asimismo,

sugiere que se consideren dos litologías, una como capa de meteorización (sedimentos) de cohesión moderada y la otra de rocas terrígenas. Los nuevos cálculos establecen un diseño de pendiente ajustada a los sedimentos y manteniendo el diseño del talud (Fig. 3), se conforman bermas intermedias y se aplican elementos de estabilización superficial (mallas). Estratificación dada por intercalaciones de rocas blandas y duras. Esta situación que se describe es muy frecuente observarla en cortes y desmontes para la construcción de viales, incluso en sectores de colinas aisladas. En el caso de estudio de referencia, el talud fue diseñado a partir de los cálculos de estabilidad en un macizo conformado por rocas terrígenas semiduras, que regularmente yacen en capas de espesores entre 0.50 y 2.00 m y a su vez con intercalaciones de rocas duras en estratos finos de 0.50 m de espesor. En sectores

Figura 3. Configuración resultante del análisis puntual de factores, con aplicación de mallas y construcción de bermas.

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E. Rocamora Álvarez

Figura 4. Yacencia de intercalaciones de rocas duras en materiales terrígenos en el macizo.

del macizo estas litologías representadas por rocas duras tienen una yacencia más general, predominando sobre los materiales terrígenos, que quedan asociados a discontinuidades, aunque desde un punto de vista del macizo aparecen distribuidas subyaciendo o como cobertura de las rocas (Fig. 4). Los cálculos se basaron en el análisis de las superficies de deslizamiento global a la base del talud, y se consideraron adicionalmente algunas superficies intermedias. La estabilidad general fue muy favorable y además se consideró el buzamiento de las capas, en contra de la superficie del talud, como un factor que incrementaba esta estabilidad. Durante y posterior a la ejecución del proyecto, se observaron numerosos desprendimientos de bloques de las rocas duras desde los estratos que quedaron en voladizo con respecto a las terrígenas. Este proceso, inicialmente asociado a los movimientos de tierra durante la conformación de los taludes, se convirtió en un fenómeno gravitacional, que representaba la inestabilidad del talud.

La erosión diferencial de las rocas terrígenas por la acción del intemperismo, aceleradas por eventos ocasionales de escurrimiento pluvial por la pendiente del talud, era un proceso de una dinámica progresiva, que provocaba el retroceso de la superficie de rocas blandas reduciendo las condiciones de confinamiento de las rocas duras y bloques, que se desprendían por su propio peso y rodaban por la pendiente hasta la base (Fig. 5). Este fenómeno era desfavorable para el funcionamiento de los viales en la base del macizo. Los cálculos realizados en estas condiciones reportaban el talud lo suficientemente estable ante la ocurrencia de deslizamientos, sin embargo era inestable a la caída de bloques de rocas duras. El análisis de los factores y su caracterización, permitió detallar las condiciones de yacencia de las rocas y las propiedades geomecánicas del agrietamiento en los sectores rocosos. La continuidad de las grietas y su dirección de buzamiento, fueron elementos suficientes para pronosticar el desprendimiento de los bloques y diferenciar estos cálculos de los deslizamientos. Se aplicaron modelos de cálculo de pronóstico de trayectorias de

Figura 5. Dinámica de la erosión de las rocas terrígenas en el macizo y desprendimiento de las rocas duras.

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FACTORES INTERVENTORES DE LA ESTABILIDAD DE TALUDES propiedades físico-mecánicas y la configuración de la superficie del talud, lo cual conllevó a la pérdida de estabilidad (Fig. 7). Si bien estas modificaciones en la base no llegaron a ser significativas, siempre tuvieron una tendencia al desarrollo de cárcavas y surcos, que paralelos al eje del talud llegan a convertirse en elementos que provocan la ocurrencia de deslizamientos, en ocasiones con volúmenes importantes de masas deslizadas. Algunas de las acciones de corrección se basaron en el relleno de los surcos formados con materiales granulares, grava y rajón, determinados por la capacidad de no ser removidos por los flujos que drenan de manera concentrada. Estos procesos, con una dinámica muy similar han sido caracterizados a partir del análisis de factores interventores en deslizamientos de tierras asociados a taludes en obras ingenieras (Rocamora, 2000 y 2003) y sus soluciones muy efectivas. Los taludes en construcción fueron tratados con elementos de protección de la superficie para evitar la erosión y la acumulación de sedimentos en la base, además de la construcción de obras hidráulicas de conducción al pie de la pendiente (Fig.8), para la canalización y evacuación de los pluviales.

Figura 6. Condiciones de saturación en la base del talud por el escurrimiento pluvial.

caída de bloques, a la vez que se modelaron barreras para su detención compatibles al tamaño de los bloques que se podían formar en cada sector del macizo. Escurrimiento de las aguas superficiales por el talud o ladera.

Figura 7. Dinámica de las modificaciones en la base del talud por el escurrimiento pluvial y la pérdida de estabilidad.

El proyecto había considerado taludes casi verticales, cuyo cálculo del factor de seguridad les daba suficiente estabilidad global. La alta pluviometría de la región condicionaba la formación de escurrimiento superficial al pie del talud, con drenaje, pero que comúnmente mantenía condiciones de saturación estacionales. Para la introducción de estas características en los modelos de cálculo se había simulado la presencia de un nivel piezométrico de las aguas subterráneas en la base del talud, condición que influía en el diseño de su pendiente y su configuración (Fig. 6). Sin embargo, durante el desarrollo de la ejecución del proyecto se observaron que en más del 30% de los taludes se producían arrastres de los materiales saturados en la base y por consiguiente fallas puntuales por pequeños deslizamientos. La combinación de los procesos que ocurrían en la base del talud modificaron las condiciones de estabilidad por el cambio de las

Figura 8. Taludes con elementos de protección y obras de evacuación de pluviales en la base.

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E. Rocamora Álvarez CONCLUSIONES La aplicación de modelos de cálculo de estabilidad de taludes para proyectos de ingeniería son una práctica común, donde si bien se tienen en cuenta aspectos importantes de los taludes a conformar, rara vez se caracterizan los factores interventores, desde un punto de vista que puedan ser simulados para los cálculos. Con respecto a lograr optimizar la modelación de los fenómenos gravitacionales de movimientos de masas son recomendados los procedimientos de pronóstico basados en la caracterización de los factores interventores, con énfasis en aquellos que modifican los parámetros físico-mecánicos de los suelos y rocas del macizo y de los que conllevan a cambios de la configuración del talud. Asimismo, los procedimientos recomendados y que se han usado en los casos de estudios incorporan los factores asociados a la ocurrencia de paleoprocesos y las acciones antrópicas proyectadas.

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Por otra parte, estos procedimientos de caracterización de factores permiten identificar los tipos de fenómenos de movimiento de masas, con probabilidad de ocurrencia, incluso en un mismo talud. Al conocer la dinámica del tipo de fenómeno a ocurrir se utilizan modelos de cálculo diferentes y criterios de caracterización más detallados.

BIBLIOGRAFÍA Rocamora Álvarez, E.; L. Molerio; M. Guerra; R. Leal; J. Acosta, J. Alcaide y J.C. Rodríguez. 2001. Pronóstico de riesgo de ocurrencia de fenómenos físico-geológicos a partir de su evaluación ingenierogeológica, del programa Ramal “Protección del Medio Ambiente y Desarrollo Sostenible Cubano”. Proyecto 30050, Agencia de Medio Ambiente, Cuba: 42p. Rocamora Álvarez, E. 2003. Pronóstico de ocurrencia de deslizamientos en taludes afectados por procesos erosivos asociados a obras ingenieras. Memorias GEOINFO 2003. Instituto de Geofísica y Astronomía. 5p. Rocamora Álvarez, E. 2000. Particularidades en la evaluación de riesgo de ocurrencia de deslizamientos de laderas. Memorias GEOMIN 2000. Sociedad Geológica de Cuba. 5p.

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