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INTRODUCCIÓN Los cambios continuos del nivel de un embalse producto de la generación de la central asociada, someten los taludes a un aumento de fuerzas que tienden a producir inestabilidad a lo largo de un plano de falla, principalmente por la desaparición del empuje del agua en una porción del talud, y en ciertos casos, a incrementos en la presión de poros, haciendo que el factor de seguridad del talud expuesto sea mínimo durante el vaciado rápido, ocasionando a su vez el inicio de un proceso erosivo en los taludes adyacentes al espejo de agua, lo cual implica una disminución de la vida útil.

Un aumento anormal en la sedimentación del embalse, mayor que la prevista durante la fase de diseño ocasiona unas cuantiosas pérdidas económicas durante la vida útil de la central. Por esta razón es muy importante para una empresa de generación hidroeléctrica, luego de una fase prolongada de operación, hacer una recuperación de las zonas inestables que han ido apareciendo buscando con ello disminuir riesgos y costos futuros. Por lo anterior, una empresa ve razonable acometer una tarea de estabilización de taludes de potencial deslizamiento, sin embargo, al resultar involucrada una importante asignación de capital ello debe

METODOLOGÍA PARA LA CALIFICACIÓN Y CLASIFICACIÓN DE ZONAS INESTABLES EN LAS LADERAS ADYACENTES A LA ZONA DE EMBALSES

Autor: JUAN GUILLERMO ACEVEDO JIMÉNEZ, Ingeniero Civil, Especialista en Hidrología con énfasis en aspectos ambientales. Empresa o Entidad: ISAGEN S.A. “E.S.P.”.

DATOS DE LA EMPRESA. Dirección: Carrera 43 A No. 11 A-80. Medellín – Antioquia - Colombia Código Postal: _______________ Teléfono: 4 – 316 51 70 Fax: 4 – 316 51 51 E-Mail: jacevedo@isagen.com.co

PALABRAS-CLAVE: Deslizamiento , Erosión,Estrato ,Geotecnia ,Plano de Falla ,Presión de Poros , Talud

Medellín, Julio de 2005 Subtema: GE 1 Área: Generación

COMISION DE INTEGRACION ENERGÉTICA REGIONAL COMITE NACIONAL COLOMBIANO Código: III RIG&T OAM – CO – 04 / G

III REUNION INTERNACIONAL DE GENERACIÓN & TRANSMISION, OPERADORES Y ADMINISTRADORES DE MERCADOS

“RIESGO & PRODUCTIVIDAD” Cartagena de Indias, Septiembre de 2005

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hacerse de tal manera que por un lado se pueda aproximar rápidamente a la solución, minimizando con ello el costo de los estudios, y por otro lado esté segura de que la asignación de costos para el proyecto de mejoramiento sea óptima. Antes esto se hacía con extenuantes y costosas jornadas de campo, que al final daban como resultado la recomendación o no de un trabajo específico. La metodología descrita en este trabajo parte de la base filosófica de que en un embalse de gran perímetro de espejo no es tarea fácil hacer una calificación y clasificación de zonas inestables, además de que por los métodos convencionales involucra una alta inversión de recursos en cuanto a tiempo, costos y personal, razón por la cual disponer de un método expedito para llegar a una visualización rápida del problema es lo mas deseable. En consecuencia, buscando armonizar la optimización del estudio con una asignación presupuestal enfocada a resolver el problema, ISAGEN desarrolló una metodología consistente en una rápida revisión de campo que analiza varios tópicos como son: la ubicación de las zonas inestables respecto a la captación de agua, la pendiente dominante en la ladera, el espesor, el área, y la altura comprometida de la zona inestable, la susceptibilidad a la erosión, los aspectos geomorfológicos, la ubicación dentro de los límites de operación del embalse, el tipo de falla, el tipo de roca base, la longitud de la pata del talud inestable, y el potencial de deslizamiento. Mediante este trabajo, inédito en el tema de geotecnia, se calificaron del orden de

250 zonas de potencial deslizamiento en tres embalses, y se procedió a hacerles una clasificación geomecánica. Posterior a ello se logró jerarquizar las zonas inestables y programar los trabajos de mejoramiento en 48 sitios calificados como críticos. Como resultado final se obtuvo, además de un inventario pormenorizado de las zonas inestables, que permite seguimiento futuro a cada sitio, un programa de mejoramiento constructivo que compatibilizó la asignación de recursos de estudio con los propios de construcción utilizando fundamentalmente la biotecnología como utilización de trinchos, empradización y engramados, entre otros. En este documento en primera instancia se presenta la metodología, luego se muestra un ejemplo de aplicación y finalmente se indican las conclusiones y recomendaciones. 2. METODOLOGÍA Tiene en cuenta los aspectos que se han identificado con incidencia directa sobre la estabilidad de los taludes tales como:

• La erosión en los taludes adyacentes a los embalses es influenciada por la energía de las olas que afectan las orillas desencajando las partículas de suelo. La energía de las olas, en el caso de los embalses estudiados, se deriva de las olas generadas por el viento y su tamaño depende de la velocidad y la distancia libre ininterrumpida en la que el viento actúa y puede ganar energía. Se considera sin embargo que por la forma de los embalses estudiados, este

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parámetro es aproximadamente constante en todos ellos. • Desde el punto de vista de

estabilidad, la zona de mayor interés es el área que esta sujeta a la acción de las olas cuando el embalse se encuentra en su nivel máximo, pues es el sector que esta siendo modificado mientras que zonas por debajo de este nivel han sido mas frecuentemente sometidas a la acción de las olas. Esta característica se tendrá en cuenta en el planteamiento de soluciones.

• Taludes relativamente tendidos o de

baja pendiente distribuyen la energía de la ola en un área mayor mientras que taludes de alta pendiente absorben la energía en un área pequeña. El tiempo durante el cual estas áreas permanecen sujetas a la acción de las olas depende del tiempo que el embalse permanezca en su nivel máximo, ya que si permanece por debajo de ese nivel las olas actuarán sobre taludes que han evolucionado a una menor pendiente.

• La forma de la orilla (cóncava o

convexa y su radio de curvatura) y el ángulo con el cual la ola actúa sobre la orilla incide en la rata de erosión. Este factor hace las islas y penínsulas más susceptibles a la erosión que orillas rectas o ensenadas.

• Los movimientos de masa son

generalmente causados por erosión de la orilla en la pata del talud o por socavación de taludes pendientes. La falla en el talud

puede ocurrir después de un descenso rápido del nivel de agua.

• Gotas de lluvia que impactan superficies no vegetalizadas expuestas pueden iniciar el proceso de erosión al disgregar la masa de suelo. Esta situación puede ser significativa en la zona sujeta a la variación del nivel de agua, aunque no se presenta perdida de capacidad de embalse útil. La clasificación propuesta por ISAGEN y empleada en el trabajo tiene en cuenta factores de tipo geométrico, geotécnico y de localización en relación con la estructura de toma de la central y su efecto a corto y/o a largo plazo en relación con la sedimentación del embalse. La clasificación varía entre aquella para una estabilidad muy deficiente para un valor mínimo de 0 puntos hasta clasificación de estabilidad excelente para puntajes mayores a 80, como se indica en la Tabla siguiente.

Tabla 1 – Clasificación General

Puntaje Clasificación Geomecánica 0 a 20 Estabilidad muy deficiente con

grandes repercusiones sobre la operación a muy corto plazo

21 a 40 Estabilidad deficiente con repercusiones sobre la operación a corto plazo

41 a 60 Estabilidad regular con repercusiones intermedias a corto plazo

61 a 80 Estable sin repercusiones a corto plazo y/o mediano plazo

81 a 120 Muy estable sin repercusiones sobre la operación a largo plazo

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Como puede observarse, un menor puntaje significa que tiene menor estabilidad y, desde luego, un mayor potencial erosivo. En la metodología propuesta por Isagen y aplicada se tiene en cuenta la calificación de los siguientes parámetros: ubicación respecto a la estructura de la toma, pendiente dominante de la ladera, características de la zona inestable: espesor, área y altura; susceptibilidad a la erosión, aspectos geomorfológicos, ubicación dentro de niveles de operación, tipo de falla y tipo de roca base. Los puntajes de cada deslizamiento fueron ordenados dentro de una expresión aritmética para dar un puntaje absoluto de la ladera a clasificar. La expresión evalúa por aparte los aspectos geométricos y de ubicación de la zona inestable que son tratados para valorar su repercusión en cuanto a volúmenes que pueden caer dentro del embalse. La ventaja primordial de este método radica en que luego de una revisión de las laderas, finalmente se hace una ficha por cada deslizamiento, lo cual permitirá hacerle seguimiento en un futuro. La calificación de cada uno de estos aspectos se describe a continuación: Inicialmente se analiza la cercanía frente a la captación. Si la zona inestable o potencial está a mayor distancia de la misma, su repercusión sobre la operación será de menor grado y por lo tanto será calificada con mayor puntaje. Por el contrario, si está cercana a la obra de toma tendrá una mayor incidencia en la disminución del embalse muerto, y de hecho en la vida útil del embalse y de su central asociada.

1. Ubicación respecto a la

estructura de toma Distancia en

metros Categoría Puntos

Menos de 50 0 0,0 50 - 100 1 2,0

100 - 1000 2 3,0 1000 - 2000 3 4,0 2000 - 3000 4 5,0 3000 - 4000 5 7,0 4000 - 5000 6 10,0 5000 - 6000 7 13,0 6000 - 7000 8 16,0

Mayor de 7000 9 20,0 El segundo parámetro califica con menor puntaje aquellas zonas inestables o potenciales con mayor pendiente, debido al riesgo que puede existir por ese factor geométrico que va en detrimento de la estabilidad.

2. Pendiente dominante en la laderaPendiente en

% Categoría Puntaje

Mayor de 173%, (>60°)

0 0,0

120% - 173%, (50° - 60°)

1 1,0

100% - 120%, (45° - 50°)

2 2,0

80% - 100%, (38° - 45°)

3 3,0

60% - 80%, (30° - 38°)

4 5,0

35% - 60%, (20° - 30°)

5 10,0

20% - 35%, (11° - 20°)

6 15,0

Menor a 20, (< 11°)

7 20,0

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La tercera característica de calificación se dividió en tres aspectos geométricos relativos a la zona inestable; el primero su espesor potencial de inestabilidad, el segundo el área que involucra y tercero a la altura que puede tener.

3.a. Espesor de la zona inestable Espesor (m) Categoría Puntaje

< 0,50 1 8,0 0,50 - 1,00 2 6,0 1,00 - 2,00 3 4,0 2,00 - 3,00 4 2,0

Mayor de 3,00 5 1,0 Lo anterior significa que entre mayor sea el espesor de la zona potencial o inestable menor será su puntuación y por lo tanto podría involucrar mayores cantidades de material en la sedimentación. A continuación se analizó el área y altura de la zona inestable.

3.b. Área de la zona inestable Área (m2) Categoría Puntaje < de 1000 1 5,0

1000 - 2000 2 4,0 2000 - 3000 3 3,0 3000 - 4000 4 2,0

> a 4000 5 1,0

Lo anterior significa que entre mayor sea el área y la altura de la zona inestable, se presenta mayor riesgo y mas altas posibilidades de tener materiales de sedimentación que afecten la operación La siguiente tabla muestra la susceptibilidad a la erosión que pueda tener una ladera, siendo de menor puntaje cuando existen materiales muy erodables con poca cohesión y con perfiles de meteorización altos.

4. Susceptibilidad a la erosión Susceptible a la

erosión Categoría Puntaje

Roca fresca y/o muy baja posibilidad de erosión

1 20,0

Ligeramente alterada o poco susceptible

2 15,0

Moderadamente alterada o susceptible moderadamente

3 10,0

Alterada o susceptible

4 5,0

Muy alterada, sin cohesión o muy susceptible

5 0,0

Para el aspecto geomorfológico se califica en menor grado las narices que las laderas uniformes y aquellas que están por encima del nivel de operación, en vista de que pueden tener niveles freáticos colgados que puedan afectar la

3.c. Altura de la zona inestable Altura (m) Categoría Puntaje < de 2,0 1 6,0

2,00 - 5,00 2 5,0 5,00 - 10,00 3 4,0 10,00 - 20,00 4 3,0 20,00 - 50,00 5 2,0

> de 50 6 1,0

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estabilidad involucrando mayores volúmenes de materiales inestables.

5. Aspectos geomorfológicos Tipo o

descripción Categoría Puntaje

Ladera uniforme de pendiente baja

1 10,0

Ladera uniforme de pendiente media

2 8,0

Ladera uniforme de pendiente alta

3 6,0

Nariz topográfica gruesa por debajo del nivel máximo de operación

4 5,0

Nariz topográfica delgada por debajo del nivel máximo de operación

5 3,0

Nariz topográfica gruesa por encima del nivel máximo de operación

6 2,0

Nariz topográfica delgada por encima del nivel máximo de operación

7 0,0

En relación con la localización de la zona potencialmente inestable frente al nivel de operación del embalse, se plantea que si la cresta de la zona inestable está por encima del nivel máximo técnico, ésta condición puede involucrar en el futuro mayores volúmenes de material en el embalse, reduciendo el volumen útil del mismo. Mientras que sí está por debajo del nivel mínimo técnico, eventualmente

no habrá mayor detrimento de la seguridad de la ladera, ya que los desembalses no las afectan, ni influyen en la cantidad de volúmenes que se depositarán dentro del embalse.

6. Ubicación dentro de niveles de operación

Descripción Categoría PuntajeCresta por debajo del nivel mínimo

1 10,0

Cresta entre nivel mínimo y máximo técnico

2 5,0

Cresta por encima del nivel máximo técnico

3 3,0

Los mecanismos de falla que pueden presentarse en un sitio (rotacional, traslacional, volcamiento, etc) dependen de las características de los materiales afectados. Fallas rotacionales son típicas en suelos homogéneos, arcillosos hasta un cierto grado. Cuando estos movimientos se presentan, se desarrollan dentro de un horizonte de suelo en el que las propiedades sean uniformes. La profundidad del deslizamiento está definida por el plano de contacto con un material de mayor resistencia. Por otra parte, fallas traslacionales son características en materiales que presentan estratificación, particularmente cuando en la secuencia estratigráfica la resistencia se incrementa con la profundidad o en la secuencia existen planos con una resistencia considerablemente menor. Los perfiles de meteorización, debido a la forma en que

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el proceso avanza, propician variabilidad en los espesores de los diferentes horizontes de materiales que lo conforman y el desarrollo de superficies de contacto entre ellos. Esta disposición permite la generación de falla traslacional y rotacional, individualmente o combinada. Ellos se desarrollarán, primero afectando los estratos más superficiales y avanzando progresivamente hasta afectar los estratos más profundos de suelo. En cuanto al tipo de fallas, se observa que las de tipo traslacional se caracterizan por ser fallas de movimientos relativamente lentos y de poca profundidad, muy paralelas a la superficie; mientras que las fallas de tipo rotacional son mas profundas y sus movimientos pueden ser repentinos o relativamente lentos según el tipo de material, pero comprometen generalmente mayores magnitudes de material de la ladera, y la falla combinada sería una mezcla de ambos fenómenos involucrando grandes áreas. Entre mayor volumen de material se involucre con el tipo de falla, la puntuación castiga la valorización general.

7.Tipo de falla Tipo Categoría Puntaje

Traslacional 1 1,5 Rotacional 2 1,0 Combinada (traslacional + rotacional)

3 0,5

Finalmente se tuvo en cuenta el tipo de roca base en la formación de los suelos residuales. Según el tipo de roca de la zona inestable, tiene mayor o menor

incidencia en la frecuencia de ocurrencia. Esto se relaciona con el grado de meteorización, tipo de grano, mineralogía y grado de cementación que tiene el material original. Según el tipo de roca que a su vez relaciona la edad geológica, si es más dura y menos fracturada y alterada, tendrá un puntaje mayor

8.Tipo de roca base Tipo de roca Categoría Puntaje

Roca metamórfica del Paleozoico -Cuarcita

1 18,5

Roca metamórfica del Paleozoico -Neis

2 9,0

Roca ígnea del Cretáceo - Batolito-Cuarzodiorita

3 0,0

Con el objeto de buscar una mayor discretización de los resultados se analizaron dos ítemes adicionales en la clasificación geomecánica de las zonas inestables. Las dos variables son el ancho de la pata del deslizamiento y el potencial o susceptibilidad que tiene el fenómeno a continuar presentándose e incrementar el área afectada. Esta calificación es dada por un ingeniero especialista en geotecnia y con experiencia y criterio en procesos de inestabilidad. El calificativo del ancho de la base se consideró importante porque entre más grande sea, mayor volumen de suelo

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puede llegar a involucrarse como material de sedimentación. Para calificar esta variable se tomaron los siguientes rangos:

El potencial o susceptibilidad al deslizamiento se calificó teniendo en cuenta si aun se encontraba activo o ya se había estabilizado. En el caso de que fuera activo, se evalúan las implicaciones que tendría en cuanto a la cantidad de suelo que podría éste involucrar, de forma que si el deslizamiento se encontraba en la pata de un talud alto y empinado donde se había afectado hasta el momento una pequeña zona en la pata, al progresar el fenómeno se involucraría un área importante. Por el contrario, si el deslizamiento llega hasta la parte alta del talud y la pendiente es suave, el potencial es bajo porque el aporte adicional si continua el fenómeno de inestabilidad será pequeño.

10. Potencial al deslizamiento

Calificación

A (alto) 1 M (medio) 10 B (bajo) 25

Luego de hacer la clasificación bajo los anteriores conceptos, se debe proceder a elaborar una ficha en la que además de la valoración que se le dio a cada aspecto, se consignara lo referente a su ubicación con coordenadas geográficas tomadas en campo con GPS, y la respectiva fotografía y recomendación de obra de protección. Posteriormente, con base en el inventario detallado de las laderas identificadas, se procedió a definir conceptualmente las recomendaciones para su estabilización y obras de protección. Como criterio filosófico de asignación de recursos, se partió de la base de considerar que la zona más susceptible al proceso de degradación generado por el agua del embalse es aquella que coincide con el nivel de aguas máximas, pues como ya se mencionó, los taludes por debajo de este nivel ya han evolucionado hacia formas y pendientes más estables pues el material desprendido ha alcanzado su ángulo de reposo con una pendiente relativamente suave, y por lo tanto no requieren tratamiento para su estabilización. Por ello, el proceso termina proponiendo medidas para la protección contra la erosión y estabilización de las superficies generadas por los movimientos de masa que se encuentran por encima del nivel máximo del embalse. En las zonas inestables el mayor aporte de material al embalse es realizado por las zonas ya afectadas por movimientos de masa que se encuentran por encima del nivel de embalse; las zonas por debajo del nivel del embalse no hacen aportes adicionales de sólidos sino que estos simplemente cambian de lugar

9. Base :Longitud de la pata del deslizamiento ( m )

Calificación

Mayor 50 1

30 – 50 2 20 – 30 3 10 – 20 4

Menor a 10 5

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dentro de la contabilidad general del embalse, pasando del embalse útil al embalse mínimo técnico o al embalse muerto. El manejo de las zonas inestables tiene varias componentes: la selección e implementación de las medidas de estabilización, el mantenimiento de ellas, y la instrumentación, como se describe a continuación. 3. MEDIDAS DE ESTABILIZACIÓN Para recuperar los taludes, estos deben conformarse con el propósito de alcanzar su ángulo de reposo, cubrir con vegetación para protegerlos de la erosión superficial y compactar manualmente las patas de los taludes que presentan material suelto. En la selección de los tratamientos de estabilización y control de erosión se le dio preferencia a aquellos que pueden implementarse con elementos existentes en la zona y que generen el menor impacto visual, aunque en contadas ocasiones se recomienda el uso de elementos foráneos. Entre los primeros se encuentran los trinchos en madera y la revegetalización mientras entre los segundos se encuentran la malla, agromalla, los bolsacretos y cunetas. Las medidas recomendadas para la recuperación de las zonas afectadas por movimientos de masa incluyen uno o varios de los elementos descritos a continuación.

1. Terraceo. Consiste en la adecuación y reconformación manual de la superficie del terreno con el objetivo de uniformizar las pendientes y manejar las aguas superficiales. Incluye las zonas de pendiente negativa o muy pronunciada que se encuentra en los escarpes posteriores de la zona afectada. El terraceo se realiza con azadón o herramientas similares conformando especies de eras continuas a lo largo de la cota de nivel. De esta manera se intersecta el agua de escorrentía y se limita su energía y capacidad de erosión.

2. Trinchos. También denominados cortacorrientes por el papel que desarrollan en la intersección y disminución de la energía del agua en los canales y cárcavas por las cuales ella circula. Son estructuras de poca altura en diferentes materiales construidas en sentido transversal al que el agua se mueve y espaciadas según la pendiente. Su uso es más común en zonas de alta pendiente donde ya se han presentado movimientos de masa y/o procesos de carcavamiento.

3. Revegetalización. Consiste en la recuperación y estabilización de las superficies expuestas mediante la siembra de especies vegetales. Estas especies para los fines buscados de estabilización es deseable que desarrollen raíces profundas que amarren el suelo y lo estabilicen. Existen diferentes alternativas de revegetalización. Una es el uso de especies importadas, por ejemplo la Vetiver, la cual es considerablemente más costosa y en ocasiones no logra adaptarse a las condiciones ambientales del lugar, pero con la gran ventaja de sus grandes raíces. La otra es el uso de

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especies nativas, considerablemente más económicas y de fácil adaptación al lugar. Entre estas especies la más común es la Braquiaria (Brachyaria Platiphylia), aunque existen otras muchas.

Adicionalmente a la siembra de pasto pueden emplearse especies de arbustos, caña y árboles. En algunas zonas el uso de guadua caribe puede resultar apropiado y además conveniente desde el punto de vista ornamental.

4. Sellado de grietas. El sellado de las grietas en la masa inestable tiene como propósito evitar el acceso de agua al interior de la misma, ya que el agua al penetrar genera varios efectos nocivos: incrementa el peso de la masa inestable, reduce la resistencia e incrementa la presión de poros. El sellado debe realizarse manualmente, conformando una pequeña brecha donde la grieta aflore para poder compactar con pisón el material a colocarse.

5. Zanjas de coronación. Tienen como propósito intersectar y desviar las aguas de escorrentía antes de que ellas lleguen a la zona inestable. Pueden realizarse en diferentes materiales, por ejemplo concreto, mortero o colchacreto. De acuerdo con la pendiente del terreno pueden requerir estructuras de disipación, como cunetas escalonadas o piedras pegadas.

6. Bolsacretos. Su función es la protección de la pata de los taludes de los embalses, en los sitios donde se presentan deslizamientos grandes y que se encuentren cerca a la obra de toma. Dependiendo de las características existentes al momento de implementarse las soluciones puede considerarse conveniente el uso combinado de estas estructuras Como producto de la aplicación de la metodología ello llevó a elaborar especificaciones técnicas para la contratación de las obras de protección de las zonas inestables que se hayan considerado como críticas.

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4. CONCLUSIONES La aplicación de la metodología es coherente y permite lograr una buena visualización de los problemas erosivos en los taludes adyacentes a la zona de embalses. Las ventajas de la metodología son: • Es un proceso coherente y permite un

análisis sistémico de aspectos tanto geomorfométricos como propios del material presente en las laderas.

• A medida que el espejo de embalse

es mayor, adquiere mejores ventajas el método ya que permite calificar, clasificar y jerarquizar las zonas inestables.

• El hecho de permitir jerarquizar los

procesos erosivos conlleva a una racionalización de la asignación de recursos económicos de las obras de protección.

• Permite hacer un seguimiento, en el

tiempo, de cada sitio verificando su degradación, o si por el contrario, fue sujeto de la aplicación de una obra de protección, establece el grado de efectividad de la medida.

• Al convertirse en un proceso

sistemático y sistémico genera una cultura empresarial en el análisis periódico de la estabilidad de los taludes adyacentes a la zona de los embalses.

• Como resultado del trabajo en campo, es importante que este se condense en la elaboración de las fichas que contengan como información, además de la valoración que se le dio a cada aspecto, lo referente a su ubicación con coordenadas geográficas tomadas en campo con GPS, y la respectiva fotografía y recomendación de obra de protección.

• El desarrollo de las fichas se convierte en una herramienta de trabajo y de registro de las actividades que se ejecutan en la empresa, convirtiéndose en elemento de apoyo para la gestión del presupuesto empresarial. Por otro lado, se recomienda la implementación de un programa periódico de monitoreo de laderas de los embalses de tal manera que permita evaluar el avance de los diferentes procesos y de las medidas o acciones emprendidas con el propósito de controlarlos.