clasificación del tipo de fallas de taludes

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA FACULTAD DE INGENIERIAESCUELA ACADMICO PROFESIONAL DE INGENIERA GEOLGICA

FALLAS, ZONAS DE FALLA Y ZONAS DE CIZALLA: DEFINIENDO CONCEPTOS FUNDAMENTALESExisten tres conceptos fundamentales relacionados entre si: falla, zona de falla y zona de cizalla (e.g., McClay, 1987; Davis y Reynolds, 1996), utilizados a veces de manera indistinta y de manera incorrecta. Una falla es por definicin una fractura frgil a lo largo de la cual ha ocurrido un desplazamiento visible, en general paralelo a la superficie de la misma. Por su parte una zona de falla se encuentra compuesta por innumerables superficies de falla frgiles, subparalelas e interconectadas, estrechamente espaciadas conteniendo zonas de brecha o fault gouge. La zona de cizalla corresponde a una ancha zona de deformacin generada bajo condiciones dctiles a dctiles-frgiles. Digamos adems que una zona de cizalla grada hacia arriba hacia una zona de falla. Las rocas son deformadas frgilmente en los niveles superiores de la corteza terrestre y dctilmente en lo inferiores. La profundidad a la que la deformacin pasa de frgil a dctil es conocida como la transicin dctil-frgil y generalmente se encuentra a unos 10-15 km bajo la superficie (e.g., Sibson, 1990). En dicha transicin se desarrollan ambos tipos de deformacin, mientras que por encima o por debajo la importancia relativa de una de estas disminuye progresivamente. De cualquier manera los 10-15 km antes mencionados deben ser solamente considerados como un referente general solamente, ya que zonas deformacin dctil pueden desarrollarse a profundidades menores bajo condiciones de un gradiente geotrmico anmalemente alto (e.g., magmatismo activo, actividad hidrotermal de alta temperatura generalizada, etc), y tambin pueden darse deformaciones frgiles en profundidad como respuesta a movimientos ssmicos bruscos. Como veremos ms adelante existen dos series de rocas de deformacin en relacin con las zonas frgil y dctil, que representan tipos extremos dentro de una serie intermedia muy amplia: la serie cataclstica y la serie milontica respectivamente.

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Esquema de una gran zona de cizalla y rocas asociadas. Transicin dctil-frgil en lneas verticales. Simplificada de Sibson (1977).

Clasificacin de las rocas de fallas en funcin de las tasas de deformacin y recuperacin. Simplificada de Wise et al. (1984)

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La textura de las rocas deformadas es principalmente el resultado de la relacin dinmica entre la deformacin y la recuperacin/recristalizacin del material sometido a esfuerzos (Wise et al., 1984). El balance entre la tasa de deformacin y la tasa de recuperacin/recristalizacin determina la textura de la roca de falla. A su vez, ambas tasas son funcin de variables tales como la composicin de la roca, el tamao de grano, la temperatura, la velocidad, la presencia/ausencia de fluidos y el campo de esfuerzos.

ROCAS PROPENSAS A DESLIZAMIENTO POR FALLALos materiales que se encuentran sometidos a una rpida deformacin, a relativamente baja temperatura, con recuperaciones bajas o nulas, originan rocas pertenecientes a la serie cataclstica. En el otro extremo, ah donde domina la recuperacin/recristalizacin, a temperaturas ms elevadas, se formarn rocas pertenecientes a la seriemilontica (Wise et al., 1984). Considerando que en muchos aspectos texturales (y su modo de formacin) esta ltima recuerda a las rocas metamrficas, las rocas milonticas pueden ser consideradas como tales. De hecho en Chile se acu el trmino "esquistos dinmicos" para referirse a rocas de la serie milontica encontradas en grandes zonas de cizalla como la de Atacama. Sin embargo, a diferencia del metamorfismo regional (que abarca extensas zonas), en el caso de las rocas milonticas el proceso se encuentra circunscrito a una banda de deformacin ms o menos estrecha, tambin conocida bajo el trmino "corredor milontico". Sin lugar a dudas esto puede crear innumerables problemas de interpretacin en aquellas zonas donde coexisten deformaciones metamrficas de carcter regional con grandes zonas de cizalla. Las rocas de la serie cataclstica (o simplemente "cataclasitas") se generan en un rgimen frgil e incluyen rocas tales como brechas, microbrechas, la denominada "fault gouge" (o harina de falla en espaol), y las seudotaquilitas. Dado que las dos primeras son fcilmente reconocibles, nos centraremos en las ltimas. La fault gouge es una roca arcillosa pulvurulenta, poco consolidada y rompible con los dedos (salvo cuando ha sido cementada por fluidos hidrotermales), que puede presentar colores desde el blanco grisceo hasta llamativos colores (rojos, verdes, violceos). Esto ltimo puede provocar grandes equvocos al ser confundida con aquellas rocas fuertemente alteradas asociadas a yacimientos epitermales, o con ciertas rocas sedimentarias o metamrficas de bajo grado (e.g. arcillas, pelitas, esquistos de bajo grado). Al respecto (y dado que la confusin esposible), lo importante es ver si esta roca tiene una persistencia regional dentro de una zona de cizalla (con estructuras internas tpicas de estas deformaciones), si pertenece aGEOFISICA Ing. LAGOS MANRRIQUE


una formacin geolgica cartografiable con marcada estratificacin (o esquistosidad interna), o corresponde a una fenomenologa local de morfologa irregular (i.e., zona de alteracin). Por otra parte, el que reconozcamos unas rocas alteradas como pertenecientes a una zona de falla no implica que estas carezcan de "inters econmico". Por el contrario, solo nos encontraramos en otro ambiente geolgico, en el cual tambien pueden existir mineralizaciones. Al respecto cabe destacar la posibilidad de mineralizaciones aurferas encajadas en la zona de cizalla o zona de falla. Las seudotaquilitas son un fundido de roca de origen mecnico (friccional) generado por un movimiento muy rpido de la falla bajo rgimen ssmico. La inyeccin de este fundido en grietas de tensin locales conlleva el enfriamiento instantneo del material dando una roca con aspecto vtreo (de all el nombre).

Ejemplos de "fault gouge" estructurada con criterios P, Y, R (movimiento sinestral). Sureste de Espaa (Doblas et al., 1997b). Este es una ejemplo de fault gouge "cohesiva" por circulacin de fluidos hidrotermales. Las rocas de la serie milontica son cohesivas y foliadas, se desarrollan en rgimen dctil (assmico) e incluyen a las protomilonitas, milonitas y ultramilonitas. Las protomilonitas presentan una matriz producida por procesos de recristalizacin sintectnica, y muestran al menos algo de foliacin. Las milonitas presentan una matriz de recristalizacin sintectnica y foliaciones internas. En estas rocas son claramente reconocibles las denominadas estructuras S-C (del francs: schistosit-cisaillement). Finalmente, las ultramilonitas representan el caso extremo de deformacin dentro de la serie, la recristalizacim es muy avanzada y los planos S se hacen paralelos a la fbrica C dando lugar a una foliacin milontica y estructuras de tipo SCC'.

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Granito milontico S-C del Sistema Central Espaol (Doblas, 1990)

FALLAS: CONCEPTOS BSICOSAnderson (1905) realiz a comienzos de siglo una clasificacin dinmica de las fallas basada en posicionamiento de tres vectores principales de esfuerzos: s1, s2, s3, ortogonales entre si, que cumplen el requisito general de s1>s2>s3. Dependiendo de las posiciones de los vectores se definen los tres tipos de fallas principales: normal (s1 vertical, s2 y s3horizontal), transcurrente(s2vertical, s1 y s3 horizontal), e inversa (s3 vertical, s1 y s2 horizontal). Como veremos ms adelante, la clasificacin Andersoniana es muy restringida y presenta problemas para la interpretacin de muchos casos. Por ejemplo, no explica el comportamiento lstrico(curvamiento progresivo del plano de falla en profundidad) de las fallas normales, ni menos las grandes superficies tipo "detachments extensionales", o el carcter irregular (con variaciones en el rumbo) de las fallas transcurrentes. Otro aspecto a considerar es el hecho de que muchas veces las fallas presentan un movimiento combinado, (e.g., normal-transcurrente). En resumen, las fallas distan mucho de presentar un comportamiento "ideal" Andersoniano y al respecto deberamos recordar una premisa fundamental: las fallas se curvan y de hecho casi nunca son planos sino ms bien superficies. Producto de esas curvaturas se generan situaciones asimtricas en la distribucin de esfuerzos a ambos lados de la falla o zona de falla, resultando en zonas de extensin o compresin locales. Discutiremos esto ms adelante.

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Clasificacin dinmica Andersoniana de las fallas. 1,2,3: vectores de compresin s 1,2,3. Tomada de McClay (1987)

Fallamiento normal de carcter lstrico en la regin costa afuera de Nova Scotia. 1: corteza inferior de origen magmtico; 2: rocas plutnicas masivas; 3-4: basaltos y rocas sedimentarias; 5: rocas sedimentarias. Tomada de Davis y Reynolds (1996).

Sistema tipo detachment extensional. Wernicke (1985). GEOFISICA Ing. LAGOS MANRRIQUE


De acuerdo al sentido de movimiento podemos decir que una falla normal es aquella en la que el bloque del techo se mueve hacia abajo con respecto al bloque del muro. Estas fallas suelen tener buzamientos moderados a altos, con un promedio de 60 . Con buzamientos menores a 45 (no previstos por la dinmica Andersoniana) pasan a denominarse fallas normales de bajo ngulo. Las fallas transcurrentes son aquellas que acomodan movimiento horizontal de los bloques adyacentes. Estas dependiendo a su vez del movimiento relativo de un bloque con respecto al otro, pueden ser de dos tipos: dextrales o sinestrales. Por su parte, las fallas inversas se caracterizan por un movimiento del bloque del techo hacia arriba con respecto al muro. Las fallas inversas tienen generalmente un buzamiento menor a 45, en promedio 30 . Si estas buzan ms 45 pasan a denominarse fallas inversas de gran ngulo. Tanto las fallas normales como las inversas pueden ser lstricas.

Clasificacin de las fallas en funcin del sentido de deslizamiento. Tomada de Davis y Reynolds (1996)

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A esto habra que agregar el movimiento combinado que pueden tener las fallas, hablaremos en este caso de fallas con deslizamiento oblicuo, que son combinaciones de movimiento (mixto) entre fallas transcurrentes (traslacin horizontal) con movimientos normales o inversos (deslizamiento hacia arriba o abajo a lo largo del plano de falla).

ZONAS DE CIZALLAUna zona de cizalla (e.g., Davis y Reynolds, 1996) es una estructura ancha formada bajo condiciones dctiles a dctiles-frgiles compuesta por rocas de la serie milontica. La intensidad de la deformacin dentro de una zona de zona de cizalla es muy grande. Por ejemplo, granitos afectados por una zona de cizalla pueden dar el aspecto, y ser errneamente cartografiados, como ortogneisses, metariolitas o esquistos o pizarras de origen metasedimentario. En este ltimo caso, la presencia de estructuras S-C (zona dctil) da el aspecto de los tpicos clivajes de crenulacin indicativos de una foliacin S 2 superpuesta a una inicial S1. Ejemplos en Chile de grandes zonas de cizalla incluyen los de la falla de Atacama y la de Liquie-Ofqui. Las zonas de cizalla pueden tener desde centenares de kilmetros de largo, kilmetros de ancho (y cortar a escala cortical) hasta solo algunos centmetros de largo por un milmetro de ancho. Las grandes zonas de cizalla pueden mostrar desplazamientos relativos de los bloques de decenas a centenares de kilmetros. Muchas veces las zonas de cizalla son en realidad sets de mltiples subzonas de mayor o menos grado de la deformacin, subparalelas a oblicuas entre si, resultando en una morfologa anastomosada. Una zona de cizalla dctil evoluciona hacia zonas ms superficiales hacia una zona de cizalla ms estrecha en rgimen dctil-frgil, dando lugar en las zonas ms someras a una compleja zona de falla frgil. Por lo tanto una zona de falla es a menudo la prolongacin en superficie de una ancha zona de cizalla dctil en profundidad. Las zonas de falla consisten en conjuntos de fallas relacionadas cuya envolvente o lmite externo est marcado por un paso ms o menos discreto hacia rocas no fracturadas. Las fallas internas suelen envolver a su vez a rocas con una fracturacin ms o menos intensa. Las zonas de falla pueden desarrollarse a todas las escalas, con potencias desde unos pocos centmetros a un kilmetro o ms. Cabe destacar sin embargo, que este trmino se aplica principalmente a los conjuntos potentes observados en la zona de deformacin frgil. Otra caracterstica de las zonas de falla es la potencia variable que presentan, mostrando adelgazamientos y engrosamientos.

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Un segmento de la zona de cizalla de Atacama (norte de Chile). Ntese la relacin espacial con mineralizaciones de hierro. Thiele y Pincheira (1984)

ZONA DE CIZALLA DCTIL Una zona de cizalla dctil est caracterizada por la presencia de rocas de la serie de la milonitas (proto a ultramilonitas; Wise et al., 1984). Como podemos imaginar esta zona dctil se caracteriza por una altsima deformacin, que ha generado importantes niveles de recristalizacin dinmica en las rocas afectadas. Las estructuras ms notables en la zona dctil son las denominadas S-C (del francs: schistosit-cisaillement) que corresponden a planos de foliacin (S) y de cizallamiento (C). Los planos C son fcilmente reconocibles (superficies discretas), siendo paralelos a la direccin de cizallamiento. Los planos S son sigmoidales y oblicuos a la direccin de cizallamiento (oblicuos con respecto a C) y perpendiculares a la direccin de compresin (planos de aplastamiento, perpendiculares a s1). Como veremos ms adelante, esto permite determinar el sentido de movimiento en una milonita.

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En la prctica muchas zonas de cizalla presentan en realidad un caracter dctil-frgil, ya que han operado mecanismos propios de ambos tipos de deformacin (e.g., Davis y Reynolds, 1996). Gran parte de los yacimientos de oro asociados a zonas de cizalla en Canada y otras regiones del mundo se han originado justamente en este ambiente. Alternativamente, las zonas de cizalla pueden presentar una evolucin en el tiempo, de dctil a frgil o de frgil a dctil si el sector en concreto ha sufrido un alzamiento o hundimiento tectnico progresivo mientras funcionaba el sistema.

ARREGLO GEOMTRICO DE LAS ZONAS DE FALLA: FENMENOS DE CURVATURAUno de los aspectos no previstos por la teora Andersoniana es que las fallas se curvan. Las fallas se curvan, entre otras cosas, porque los materiales geolgicos no son isotrpicos. Las inhomogeneidades causadas por el paso de un ambiente geolgico a otro (litologa, estructuras previas) a escala local o regional induce variaciones direccionales en el vector de propagacin de una falla, en otras palabras, una falla o zona de falla no puede mantener una continuidad en el rumbo (a veces ni siquiera una continuidad) debido a los cambios fsicos que encuentra en el camino. Esto tiene la mayor importancia en lo que se refiere a la interpretacin de la estructura regional local bajo estudio. Como veremos a continuacin, el que nos encontremos con dos sets de fallas transcurrentes, por ejemplo N30 E (sinestrales) y N30 W (dextrales), no implica necesariamente que estas constituyan un par conjugado en el sentido Andersoniano del trmino, con s1orientado segn N-S. Perfectamente podramos encontrarnos ante el caso de un duplex que analizaremos ms adelante (Woodcock y Fischer, 1986) (Fig. 17), ocasionado por el curvamiento de una falla, cuyas caractersticas e implicaciones difieren substancialmente del concepto simple de par conjugado. Antes de abordar este tema en concreto analizaremos las geometra ms simples del fallamiento

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Inflexiones, saltos, abanicos imbricados y duplexes en sistemas transcurrentes. Woodcock y Fischer (1986).

SALTOS E INFLEXIONES EN FALLASLos sectores transcurrentes en zonas de falla pueden disponerse espacialmente de diversas maneras: en chelon (o escalonadas), en relevo, anastomosadas, en terminaciones en "cola de caballo". Estas disposiciones reflejan las diferentes formas en que se puede distribuir el deslizamiento en funcin de las condiciones reolgicas y el esfuerzo total que tiene que ser acomodado. Cabe destacar que algunas de las consecuencias estructurales ms interesantes desde el punto de vista de los yacimientos ocurren justamente donde las fallas se curvan o se escalonan.

Arreglos diversos de fallas. Tomada de Davis y Reynolds (1996)GEOFISICA Ing. LAGOS MANRRIQUE


El movimiento de las fallas a lo largo de superficies planares perfectas (cosa poco comn en la naturaleza) se desarrolla sin complicaciones, deslizndose una pared sobre la otra sin interferencias. Bajo estas condiciones la aparicin de ramales a partir de la falla principal es mnima a inexistente. Sin embargo, si una falla presenta una inflexin abrupta o gradual se producen situaciones complejas, que dan lugar a procesos de estiramiento o acortamiento. La curvatura de las fallas puede ser descrita en trminos de inflexiones (bends) (Davis y Reynolds, 1996). Inflexiones en apertura (releasing bends; zona en extensin) tienden a crear espacios, en tanto que las inflexiones en cierre (restraining bends; zona en compresin) son sitios donde el acortamiento genera apilamiento. Hablaremos de inflexiones en cierre cuando el movimiento de uno de los bloques a lo largo de la falla se realiza "contra" la curva. Por el contrario, si el movimiento "aleja" el bloque de la curva, diremos que se trata de una inflexin en apertura. Bajo el punto de vista de la exploracin de yacimientos minerales, las inflexiones en apertura son las ms interesantes, ya que es en esos lugares geomtricos donde se generan espacios, y por ende, donde las soluciones hidrotermales pueden circular con mayor facilidad. Adems, a escala regional, una inflexin en apertura es el lugar perfecto para el desarrollo de intrusiones menores bajo condiciones extensionales.

Situaciones de extensin y compresin (ver sentido de las flechas) en sistemas de fallas dextrales y sinestrales con inflexiones y saltos. Tomada de Davis y Reynolds (1996).

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Aparte de las inflexiones otro rasgo tpico en fallas son los saltos (stepovers, offsets), que a diferencia de las inflexiones, no se conectan entre si, aunque mantienen parecida direccin y el mismo sentido de movimiento. Al igual que las inflexiones, decimos que los saltos pueden generar zonas en apertura o en cierre. Las zonas en apertura y en cierre (en inflexiones y saltos) pueden dar lugar respectivamente a depresiones (pull-aparts) susceptibles de ser rellenadas por materiales sedimentarios, o a alzamientos compresionales (pop-ups, push-ups).

Depresin (pull-apart) susceptible de ser rellenada por materiales sedimentario y alzamiento compresional (pop-up, push-up) asociados a una falla transcurrente dextral; B: Esquema sinptico (en planta) de la situacin observada en el bloque superior. U: bloque levantado, D: bloque descendido (movimiento relativo). Tomada de Davis y Reynolds (1996)

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DUPLEXES Y ESTRUCTURAS EN FLORLa presencia de inflexiones y saltos a lo largo de una falla promueve la formacin de estructuras denominadas duplexes (Woodcox y Fischer, 1986). Las rocas que se encuentran dentro de la zona de influencia de una inflexin o salto se pueden fallar progresivamente (fallas menores paralelas a la direccin de la inflexin) generando sistemas imbricados en relacin a la falla principal. Por otra parte en el caso de fallas de traza recta, la formacin de un duplex puede originarse a travs del desarrollo de fracturas de Riedel. El anlisis del proceso de formacin de duplexes puede realizarse a travs de dos mecanismos: procesos de deformacin planar (plane-strain) y de deformacin no planar (non-plane strain) (e.g., Davis y Reynolds, 1996). En el caso terico de la deformacin planar si una esfera es deformada triaxialmente y ocurre un estiramiento en la direccin S1 (mximo estiramiento) ste ser compensado de manera perfecta por un acortamiento en la direccin S3 (mnimo estiramiento), sin que se produzcan cambios en la direccin S 2, as una esfera perfecta se transformar en un elipsoide perfecto (de revolucin). Si llevamos sto al caso que nos interesa (sistemas de fallas transcurrentes), la situacin ser la siguiente (Woodcock y Fischer, 1996): dado que s1(esfuerzo mximo) y s3(esfuerzo mnimo) estn en la horizontal, todos los cambios ocurrirn ah. En otras palabras, bajo esta perspectiva terica, no habran levantamientos (pop-ups, push-ups) o hundimientos (pull-aparts), ya que estos tendran que ocurrir en la direccin de s2 (en este caso, equivalente a S2), que es perpendicular a la superficie horizontal. La deformacin planar es difcil de mantener en sistemas reales, pero sirve en todo caso como referente para introducir el modelo cinemtico. La diferencia principal que presentar la formacin de duplexes por deformacin no planar (caso ms cercano a la realidad) se encuentra en la compensacin volumtrica por hundimientos y levantamientos. As en duplexes extensionales se formaran hundimientos, y en los compresionales, levantamientos. Unas de las estructuras ms notables derivadas de la deformacin no planar son las denominadas flores positivas (positive flowers) y flores negativas (negative flowers) (Woodcock y Fischer, 1986), que a su vez se corresponden con los casos de duplex compresional y extensional, respectivamente. La geometra interior de las fallas secundarias en un duplex muestra que estas convergen en profundidad hacia una zona de falla nica. En el caso de una estructura en flor negativa, las fallas secundarias dentro del duplex tendrn un comportamiento mixto, transcurrenteGEOFISICA Ing. LAGOS MANRRIQUE


normal, por lo cual podemos decir que la zona interior est en extensin y sometida a hundimiento. Por el contrario, en una estructura tipo flor positiva, las fallas interiores se comportarn como transcurrentes-inversas, por lo cual podemos decir que la zona est en compresin y por lo tanto sometida a levantamiento.

Estructuras tipo flor negativa (A) y flor positiva (B). Note la subsidencia y alzamiento respectivo en A y B, as mismo como el caracter mixto (transcurrente-normal y transcurrente-inverso) del fallamiento asociado. Woodcock y Fischer (1986).

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DESLIZAMIENTO DE TALUD RELACIONADO A FALLAS Y FRACTURASUn talud es cualquier superficie inclinada, con respecto a la horizontal, que adopta permanentemente una estructura de tierra, ya sea de forma natural o por la intervencin del hombre. Dicha superficie falla, cuando se presenta un desequilibrio en la masa de tierra, que puede ser producido por el aumento de las cargas actuantes en la corona del talud, o por la disminucin de la resistencia del suelo al esfuerzo cortante. Estas dos condiciones llevan al talud a presentar un deslizamiento del terreno hacia abajo, originado por la falta de presin confinante que existe en la superficie inclinada del talud (Jurez y Rico, 1996). Desafortunadamente la experiencia en este tema aun es escasa, y si bien se han desarrollado modelos matemticos que permiten generar pronsticos del comportamiento del terreno, aun hacen falta ms investigaciones en el rea para determinar con precisin las superficies de falla. En la prctica, este tipo de fenmenos son ms frecuentes en laderas naturales que en presas de tierra. Sin embargo, en este ltimo caso, se puede mencionar el incidente registrado en 1986, en la presa de Huangmeishan, China, donde una falla por deslizamiento de talud provoc la muerte a 19 personas. El anlisis de estabilidad de talud se basa en la estimacin del Factor de Seguridad (F.S.) del terrapln en cuestin. Para el clculo del F.S., primero se evalan dos aspectos: por un lado el momento resistente, y por el otro el momento motor. En segundo trmino, se realiza el cociente de estos dos valores, obteniendo el factor buscado. El F.S. normalmente adopta valores mayores a 1.5, sobre todo cuando el talud construido es de carcter permanente. Por consecuencia, para el caso de presas de tierra el valor mnimo recomendable es precisamente 1.5. En lo que se refiere al clculo del F.S. de la presa bajo estudio, se realiz mediante el mtodo sueco o de Fellenius y con ayuda del software Gslope versin 3.32, que emplea dicho mtodo. La informacin recabada y generada permiti la construccin de la distribucin acumulada, tal como se muestra en la Figura. Los valores que se muestran corresponden a los 5, 50 y 95 percentiles respectivamente, que son: 1,20, 1,67 y 2,04, con la misma interpretacin del caso expuesto en Prez (2009).

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Distribucin acumulada de probabilidad para la variable deslizamiento de talud Siguiendo los mismos pasos, la Figura 1 muestra las grficas de las funciones de distribucin para el deslizamiento de talud (4), dadas las variables: frecuencia ssmica (1), precipitacin (2) y mantenimiento (3). As, el valor del coeficiente de correlacin condicional, y las probabilidades calculadas son: r4/1= -0.44, r4/2=-0.32, r4/3= -0.39 y P4/1= 0.37, P4/2= 0.40 y P4/3= 0.36 respectivamente.

Distribucin condicional del deslizamiento de talud (4), dadas las variables: frecuencia ssmica (1), precipitacin (2), y mantenimiento (3), para la obtencin del coeficiente de correlacinGEOFISICA Ing. LAGOS MANRRIQUE


BRECHA Se entiende por brecha una abertura transversal en el cuerpo de la cortina, provocada por el flujo de agua que transita sobre el mismo. Al presentarse en esa zona de la presa, el fenmeno ocasiona que se libere de manera repentina tanto el agua como los sedimentos contenidos en el embalse, causando afectaciones a la regin aguas abajo de la obra. Incluso, puede darse el caso de que tambin haya afectaciones aguas arriba de la presa, ya que al haber un vaciado rpido del lquido, se pueden presentar deslizamientos masivos de laderas, que provocan derrumbes y daos al ambiente e infraestructura. Como se puede observar en el modelo de evaluacin de riesgo propuesto, la variable brecha est relacionada, indirectamente, con las siguientes causas: frecuencia ssmica y precipitacin y directamente con desbordamiento, deslizamiento de taludes aguas abajo, mantenimiento, y tubificacin. En este sentido, en la literatura se han documentado fallas, en la cuales se presentaron una o varias brechas en el cuerpo de la cortina, debidas a las causas directas o indirectas mencionadas. En Mxico, se document una falla en la presa La Laguna en el ao de 1969, producto del fenmeno de tubificacin, que ocasion la formacin de una serie de brechas sobr la cortina, que iban de los 8 a los 27 m aproximadamente (Marsal, 1983). As, la morfologa que puede adoptar una brecha, de acuerdo con MacDonald y Langridge (1984), es trapezoidal. La Figura 2 esquematiza esta configuracin, siendo B el ancho superior de la brecha, b el ancho de plantilla, d la profundidad, y H la altura del dique. En general, se conservan las relaciones B/b ~ 1.3, y B/d ~ 3 y el talud k ~ 3. La primera relacin (B/b) es inversamente proporcional a H. El tiempo de falla es, en general, menor a tres horas, y en ms de la mitad de los casos en los que se bas dicho estudio, dur menos de 90 minutos.

Morfologa de la brecha (Wahl, 1998)

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CLASIFICACIN DEL TIPO DE FALLAS DE TALUDES Este captulo presenta una clasificacin de tipos de falla de taludes basada en el reconocimiento de los factores geolgicos que condicionan la falla. Los deslizamientos de taludes ocurren de muchas maneras y an persiste cierto grado de incertidumbre en su predictibilidad, rapidez de ocurrencia y rea afectada. Sin embargo, existen ciertos patrones que ayudan a identificar y reconocer reas potenciales de fallas, lo cual permite el tratamiento del talud para eliminar o reducir a un mnimo el riesgo de falla. DESPRENDIMIENTOS Son fallas repentinas de taludes verticales o casi verticales que producen el desprendimiento de un bloque o mltiples bloques que descienden en cada libre. La volcadura de los bloques generalmente desencadena un desprendimiento En suelos, los desprendimientos son causados por socavacin de taludes debido a la accin del hombre o erosin de quebradas. En macizos rocosos son causados por socavacin debido a la erosin. En algunos casos los desprendimientos son el resultado de meteorizacin diferencial. CLASIFICACIN DE FALLAS Tipo de falla Forma Definicin Desprendimiento repentino de uno o ms bloques de suelo o roca que descienden en cada libre. Cada de un bloque de roca con respecto a un pivote ubicado debajo de su centro de gravedad. Movimiento lento o rpido de un bloque de suelo o roca a lo largo de una superficie de falla plana. Movimiento relativamente lento de una masa de suelo, roca o una combinacin de los dos a lo largo de una superficie curva de falla bien definida.

Desprendimientos Cada libre

Volcadura

Derrumbes

Planar

Rotacional

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Desparramamiento lateral Deslizamiento escombros Avalanchas

Movimiento de diferentes bloques de suelo con desplazamientos distintos.

de Mezcla de suelo y pedazos de roca movindose a lo largo de una superficie de roca planar.

Movimiento rpido de una masa incoherente de De roca o escombros escombros de roca o suelo-roca donde no se distingue la estructura original del material. Suelo o suelo-roca movindose como un fluido viscoso, desplazndose usualmente hasta distancias mucho mayores de la falla. Usualmente originado por exceso de presiones de poros. Movimiento lento e imperceptible talud abajo de una masa de suelo o suelo-roca

Flujo

De escombros

Repteo

Los desprendimientos o cadas son relevantes desde el punto de vista de la ingeniera porque la cada de uno o varios bloques puede ocasionar daos a estructuras o a otros taludes que se encuentren en la parte inferior y podra originar una destruccin masiva. Los desprendimientos se producen comnmente en taludes verticales o casi verticales en suelos dbiles a moderadamente fuertes y en macizos rocosos fracturados. Generalmente, antes de la falla ocurre un desplazamiento, el cual puede ser identificado por la presencia de grietas de tensin.

Desprendimiento de bloques

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Volcadura de bloques DERRUMBES Los derrumbes se encuentran asociados a fallas en suelos y rocas, y de acuerdo con la forma de la superficie de falla se subdividen en rotacionales y planares. - Derrumbes planares Los derrumbes planares consisten en el movimiento de un bloque (o bloques) de suelo o roca a lo largo de una superficie de falla plana bien definida. Estos derrumbes pueden ocurrir lenta o rpidamente. Los deslizamientos planares en macizos rocosos consisten en el deslizamiento como una unidad o unidades (bloques) talud abajo, a lo largo de una o ms superficies planas Tambin se puede generar una falla de cua a lo largo de la interseccin de dos planos, consistente de uno o varios bloques de pequeo a gran tamao. Los deslizamientos en bloque pueden ser destructivos especialmente en regiones montaosas donde los deslizamientos masivos de roca resultan desastrosos y en muchos casos no pueden ser prevenidos.

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Deslizamiento planar en macizo rocoso

Deslizamiento en forma de cua Los deslizamientos planares suelen ocurrir en: - Rocas sedimentarias que tengan un buzamiento similar o menor a la inclinacin de la cara del talud. - Discontinuidades, tales como fallas, foliaciones o diaclasas que forman largos y continuos planos de debilidad que interceptan la superficie del talud. - Interseccin de diaclasas o discontinuidades que dan como resultado la falla de un bloque en forma de cua. En general, durante los perodos iniciales de la falla se generan grietas de traccin con un pequeo desplazamiento, luego se pueden observar escarpes frescos que dejan losGEOFISICA Ing. LAGOS MANRRIQUE


bloques con posterioridad al movimiento. En algunos casos, este movimiento deja sin vegetacin la zona deslizada y los escombros quedan expuestos al pie del talud. - Derrumbes rotacionales Los derrumbes rotacionales tienden a ocurrir lentamente en forma de cuchara y el material comienza a fallar por rotacin a lo largo de una superficie cilndrica; aparecen grietas en la cresta del rea inestable y abombamientos al pie de la masa deslizante (figura 3.5). Al finalizar, la masa se desplaza sustancialmente y deja un escarpe en la cresta.

Derrumbe rotacional La principal causa de este tipo de falla es el incremento de la inclinacin del talud, meteorizacin y fuerzas de filtracin; sus consecuencias no son catastrficas, a pesar de que el movimiento puede causar severos daos a estructuras que se encuentren en la masa deslizante o sus alrededores. Cuando se presentan algunos signos tempranos de falla los taludes pueden ser estabilizados. En las etapas tempranas del deslizamiento se forman grietas de tensin, luego de la falla parcial se genera una serie de pequeos hundimientos y escarpes, y al momento de la falla total se pueden apreciar varios escarpes en la superficie adems de grietas de tensin concntricas y profundas, as como una gran masa de material incoherente al pie del talud. - Desparramamiento lateral y falla progresiva: Los desparramamientos laterales son una forma de falla planar que ocurre en suelos y rocas. La masa se deforma a lo largo de una

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superficie plana que representa una zona dbil, tal como lo ilustra la figura 3.6. Los bloques se separan progresivamente por tensin y retrogreden.

Desparramamiento lateral Este tipo de falla es comn en valles de ros y se asocia tambin con arcillas firmes y duras fisuradas, lutitas y estratos con buzamiento horizontal y una zona continua de debilidad. Tambin se presenta en coluvios con pendientes suaves que se encuentran sobre suelos residuales o rocas. Los desparramamientos laterales pueden activarse repentinamente por eventos ssmicos. Sin embargo, bajo acciones gravitacionales se generan grietas de tensin. Durante la falla progresiva, las grietas de tensin se abren y los escarpes forman grandes bloques. - Deslizamiento de escombros En los deslizamientos de escombros, una masa de suelo o mezcla de suelo y fragmentos de roca se mueven como una unidad a lo largo de superficies planas con alta inclinacin. Estos deslizamientos ocurren de manera progresiva y pueden convertirse en avalanchas o flujos. Las principales causas de deslizamientos de escombros son el incremento de las fuerzas de filtracin y la inclinacin del talud. La ocurrencia de este tipo de deslizamiento es comn en suelos residuales y depsitos coluviales que reposan sobre una superficie de roca. AVALANCHAS Las avalanchas son el movimiento rpido de escombros, de suelo o de roca y puede o no comenzar con la ruptura a lo largo de una superficie de falla. Toda la vegetacin, el suelo y la roca suelta pueden ser arrastrados. Las principales causas de avalanchas son las altas fuerzas de filtracin, alta pluviosidad, derretimiento de nieve, sismos o deslizamiento gradual de los estratos de roca. Las

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avalanchas ocurren de manera brusca sin previo aviso y generalmente son impredecibles. Los efectos pueden ser desastrosos y pueden sepultar extensas reas al pie del talud. Las avalanchas son caractersticas de zonas montaosas con pendientes muy inclinadas en suelos residuales donde la topografa causa concentracin de la escorrenta. Tambin se puede presentar en zonas de roca muy fracturada. FLUJO DE ESCOMBROS Este tipo de falla es similar a las avalanchas, excepto que la cantidad de agua es mayor y por ello la masa fluye como lodo. La principal causa es el aporte de grandes lluvias y material suelto en la superficie. REPTEO El repteo consiste en un lento e imperceptible movimiento o deformacin del material de un talud frente a bajos niveles de esfuerzos que generalmente afectan a las porciones ms superficiales del talud, aunque tambin puede afectar a porciones profundas cuando existe un estrato poco resistente. El repteo es el resultado de la accin de fuerzas de filtracin o gravitacionales y es un indicador de condiciones favorables para el deslizamiento. El repteo es caracterstico en materiales cohesivos y rocas blandas como lutitas y sales, en taludes moderadamente empinados a empinados. Los rasgos caractersticos del repteo son la presencia de crestas paralelas y transversales a la mxima pendiente del talud y postes de cerca inclinados. FACTORES QUE INFLUENCIAN LA ESTABILIDAD DE LOS TALUDES Antecedentes histricos Los deslizamientos en taludes ocurren de muchas maneras y existe cierto grado de incertidumbre en su prediccin. Sin embargo, conocer los deslizamientos que han ocurrido en el rea de inters constituye un buen punto de partida para la deteccin y evaluacin de potenciales deslizamientos en el futuro.

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Para conocer los deslizamientos pasados se puede revisar diversas fuentes, tales como peridicos locales, revistas nacionales o internacionales especializadas en el tema, mapas de zonificacin de casos de inestabilidad geolgica, inventarios de riesgos geolgicos, etc. No siempre es posible conseguir documentacin escrita de ocurrencias previas de deslizamientos, por lo que la informacin de los vecinos del sector -si los hay- constituye generalmente una valiosa fuente de informacin. El tipo de informacin solicitada a los vecinos sera la descripcin de deslizamientos previos en el rea, el comportamiento de los taludes durante el perodo de lluvias, comportamiento durante eventos ssmicos, presencia de antiguas lagunas que se hayan secado, existencia de grietas en construcciones de la zona, grietas en el terreno, inclinacin de postes, cercas o rboles con deformaciones, etc. Geologa de la regin La topografa actual es el producto de millones de aos de desarrollo y modificacin a lo largo de diferentes procesos geolgicos. Este proceso es continuo y los deslizamientos de taludes constituyen unos de los mecanismos de modificacin (Schuster and Krizek 1976). La geologa representa un factor primordial en la estabilidad de un talud y existen muchos factores geolgicos que ilustran el potencial del deslizamiento de taludes. El relieve y la topografa estn determinados por la geologa del rea, lo que permite estimar la susceptibilidad al movimiento en el nivel regional. En general, los deslizamientos pueden ocurrir en cualquier tipo de relieve si las condiciones estn dadas, sin embargo, la experiencia de trabajar y observar distintos tipos de relieves ha demostrado que los deslizamientos son ms comunes en ciertos tipos de relieves. A continuacin se incluye una breve descripcin de las caractersticas de estos relieves. Taludes escarpados: En terrenos escarpados los deslizamientos pueden ocurrir en cualquier tipo de material geolgico (foto 3.1). Sin embargo, la causa ms comn de derrumbe en taludes escarpados es el deslizamiento a lo largo del contacto con la roca de suelos residuales o coluviales. El material meteorizado o suelto no puede mantener la misma pendiente que la roca, por ello, una fuerte lluvia o un corte al pie del talud pueden activar el deslizamiento de la masa suprayacente. reas de concentracin de drenaje y filtracin: Un estudio cuidadoso de la red de drenaje y reas de concentracin de agua es extremadamente importante. Es probable que

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ocurran filtraciones con el subsecuente deslizamiento en reas debajo de reservorios, canales de irrigacin o depresiones con agua estancada. Es importante reconocer el peligro potencial de las reas derivadas de drenaje superficial, especialmente en rocas porosas y fracturadas.

Deformacin de una tubera de 60 de dimetro por deslizamiento debido a un corte al pie del talud reas de concentracin de fracturas: El movimiento de taludes puede estar estructuralmente condicionado por superficies dbiles tales como fallas, diaclasas, planos de deposicin y foliacin. Estas estructuras pueden dividir un macizo rocoso en una serie de unidades individuales que pueden actuar independientemente una de la otra. Por ello, el macizo rocoso no puede ser considerado como un medio continuo sino como una serie de bloques individuales; estos planos de debilidad facilitan el flujo de aguas y desarrollo de vegetacin, lo cual debilita los bloques y reduce la resistencia al deslizamiento. Por lo tanto, se debe buscar cuidadosamente las reas con pequeo espaciamiento de diaclasas, especialmente cuando estas se cruzan y dividen el macizo rocoso en pequeos bloques que lo hace ms inestable. MTODOS PARA ESTABILIZAR TALUDES Tan pronto se comprueba que hay un riesgo de inestabilidad en un determinado talud, se debe buscar la mejor solucin y considerar aspectos de costo, naturaleza de las obras afectadas (tanto en la cresta como al pie del talud), tiempo estimado en el que se puede presentar el problema, disponibilidad de los materiales de construccin, etc. Existen tres grandes grupos de soluciones para lograr la estabilidad de un talud:

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Aumentar la resistencia del suelo: son las soluciones que aplican drenaje en el suelo para bajar el nivel fretico o la inyeccin de substancias que aumenten la resistencia del suelo, tales como el cemento u otro conglomerante Disminuir los esfuerzos actuantes en el talud: soluciones tales como el cambio de la geometra del talud mediante el corte parcial o total de ste a un ngulo menor o la remocin de la cresta para reducir su altura. Aumentar los esfuerzos de confinamiento (s3) del talud: se puede lograr la estabilizacin de un talud mediante obras, como los muros de gravedad, las pantallas atirantadas o las bermas hechas del mismo suelo. En la siguiente seccin se discutirn diversas soluciones. CAMBIO DE LA GEOMETRA El cambio de la geometra de un determinado talud puede realizarse mediante soluciones tales como la disminucin de la pendiente a un ngulo menor, la reduccin de la altura (especialmente en suelos con comportamiento cohesivo) y la colocacin de material en la base o pie del talud (construccin de una berma); en esta ltima solucin es comn usar material de las partes superiores del talud.

Mtodos para estabilizar un talud: (a) drenaje; (b) cambio de la geometra (Hunt 1984) La consecuencia directa de realizar un cambio favorable en la geometra de un talud es disminuir los esfuerzos que causan la inestabilidad y, en el caso de la implantacin de una

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berma, el aumento de la fuerza resistente. Es importante destacar que la construccin de una berma al pie de un talud debe tomar en cuenta la posibilidad de causar inestabilidad en los taludes que se encuentren debajo, adems, se deben tomar las previsiones para drenar el agua que pueda almacenarse dentro de la berma, ya que es probable que pueda haber un aumento de la presin de los poros en los sectores inferiores de la superficie de falla, lo que acrecienta la inestabilidad. DRENAJE La presencia de agua es el principal factor de inestabilidad en la gran mayora de las pendientes de suelo o de roca con mediano a alto grado de meteorizacin. Por lo tanto, se han establecido diversos tipos de drenaje con diferentes objetivos (figura 3.22). A continuacin se exponen los tipos de drenaje ms usados para estabilizar taludes. Drenajes subhorizontales: son mtodos efectivos para mejorar la estabilidad de taludes inestables o fallados. Consiste en tubos de 5 cm o ms de dimetro, perforados y cubiertos por un filtro que impide su taponamiento por arrastre de finos. Se instalan con una pequea pendiente hacia el pie del talud, penetran la zona fretica y permiten el flujo por gravedad del agua almacenada por encima de la superficie de falla. El espaciamiento de estos drenajes depende del material que se est tratando de drenar y puede variar desde tres a ocho metros en el caso de arcillas y limos, hasta ms de 15 metros en los casos de arenas ms permeables. Drenajes verticales: se utilizan cuando existe un estrato impermeable que contiene agua emperchada por encima de un material ms permeable con drenaje libre y con una presin hidrosttica menor. Los drenajes se instalan de manera que atraviesen completamente el estrato impermeable y conduzcan el agua mediante gravedad, por dentro de ellos, hasta el estrato ms permeable, lo que aliviar el exceso de presin de los poros a travs de su estructura. Drenajes transversales o interceptores: se colocan en la superficie del talud para proporcionar una salida al agua que pueda infiltrarse en la estructura del talud o que pueda producir erosin en sus diferentes niveles. Las zonas en las que es comn ubicar estos drenajes son la cresta del talud para evitar el paso hacia su estructura (grietas de tensin), el pie del talud para recolectar aguas provenientes de otros drenajes y a diferentes alturas del mismo.

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Drenajes de contrafuerte: consiste en la apertura de zanjas verticales de 30 a 60 cm de ancho en la direccin de la pendiente del talud para rellenarlas con material granular altamente permeable y con un alto ngulo de friccin (>35). La profundidad alcanzada deber ser mayor que la profundidad a la que se encuentra la superficie de falla para lograr el aumento de la resistencia del suelo no solo debido al aumento de los esfuerzos efectivos gracias al drenaje del agua que los reduca, sino tambin al aumento del material de alta resistencia incluido dentro de las zanjas. Esta solucin puede ser til y de bajo costo en el caso de taludes hechos con materiales de baja resistencia, tales como arcillas y limos blandos o con presencia de materia orgnica en descomposicin que tengan entre tres y ocho metros de altura y superficies de falla que no pasen de los cuatro metros. SOLUCIONES ESTRUCTURALES Este tipo de soluciones generalmente se usa cuando hay limitaciones de espacio o cuando resulta imposible contener un deslizamiento con los mtodos discutidos anteriormente. El objetivo principal de las estructuras de retencin es incrementar las fuerzas resistentes de forma activa (peso propio de la estructura, inclusin de tirantes, etc.) y de forma pasiva al oponer resistencia ante el movimiento de la masa de suelo. Entre las soluciones estructurales ms usadas se encuentran las siguientes: Muros de gravedad y en cantiliver: la estabilidad de un muro de gravedad a y se debe a su peso propio y a la resistencia pasiva que se genera en la parte frontal del mismo. Las soluciones de este tipo son antieconmicas porque el material de construccin se usa solamente por su peso muerto, en cambio los muros en cantiliver hechos de concreto armado, son ms econmicos porque son del mismo material del relleno, el que aporta la mayor parte del peso muerto requerido.

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MUROS Se debe tener en cuenta que al poner una estructura con un material de muy baja Permeabilidad, como el concreto, al frente de un talud de suelo que almacene agua en su estructura, es muy probable que aumente la presin hidrosttica en la parte posterior del muro. Para evitar este problema se debe colocar drenajes subhorizontales a diferentes alturas del muro con el objetivo de disipar el exceso de presin. Un tipo de muro de gravedad que ayuda en este aspecto, es el muro de gavin que al no tener ningn agente cohesionante ms que la malla que une los gaviones, permite el paso de agua a travs de los mismos. Estos muros adems de ser comparativamente econmicos, tienen la ventaja de tolerar grandes deformaciones sin perder resistencia.

Perfiles de muros de gaviones

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MUROS DE GAVIN Pantallas: consisten de una malla metlica sobre la cual se proyecta concreto (shotcrete) recubriendo toda la cara del talud. Es comn atirantar esta corteza de concreto armado mediante anclajes que atraviesan completamente la superficie de falla para posteriormente ser tensados y ejercer un empuje activo en direccin opuesta al movimiento de la masa de suelo. La figura muestra el corte tpico de una pantalla atirantada.

Seccin transversal y frontal de una pantalla

BIBLIOGRAFIA: FALLA DE PRESAS DE TIERRA POR DESLIZAMIENTO DE TALUDES Y FORMACIN DE RECHAS ORIGINADAS POR SISMO: UN CASO EN EL ESTADO DE MXICO - David Joaqun Delgado Hernndez

GUA PARA IDENTIFICAR PROBLEMAS DE DESLIZAMIENTOShttp://www.uclm.es/users/higueras/yymm/fallas/FallasPrimeraParte.htm

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clasificación del tipo de fallas de taludes

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