paper title - sociedad mexicana de ingeniería … · web viewel 26 de septiembre de 2009 y el 04...

Sociedad Mexicana deIngeniería Geotécnica, A.C.

XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica

Noviembre 14 a 16, 2012 – Cancún, Quintana Roo

Análisis de estabilidad de laderas a partir de evaluación de riesgos geotécnicos; caso C.H. Fernando Hiriart Balderrama

Slope stability analysis based on geotechnical risk assessment, case of hydroelectric power plant Fernando Hiriart Balderrama

Edgar MONTIEL1, Francisco ESCAMILLA2 y Emanuel Hernandez3

1,3 Ingeniero de Proyectos, Comisión Federal de Electricidad, GEIC, Mecánica de Rocas 2Instituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México

RESUMEN: Dadas las herramientas que utiliza la geotecnia para analizar la estabilidad de laderas o taludes, este documento presenta las metodologías aplicadas y los resultados obtenidos en el análisis de una ladera natural ubicada en central hidroeléctrica Fernando Hiriart Balderrama. A partir de una valoración de riesgos geológicos - geotécnicos identificados durante los trabajos en el sitio, en este documento se muestran los análisis realizados para determinar cuantitativamente las condiciones de peligro observadas. Revisiones de modelos de comportamiento geológico, análisis de cinematismos de grandes bloques a través de modelación tridimensional, evaluación de estereografía local y simulaciones estadísticas de caída de fragmentos de roca, sirven de medios para definir las medidas de mitigación de riesgos necesarias para disminuir el peligro en dichas instalaciones, evidenciando así, la importancia de realizar evaluaciones geotécnicas a detalle en los procesos de degradación de laderas, cuyo objetivo pretende disminuir su impacto en las actividades humanas.

ABSTRACT: Given the geotechnical tools used to analyze the stability of hillsides or slopes, this paper presents the methodologies used and results obtained in the analysis of a natural hillside power plant located in Fernando Hiriart Balderrama. From a risk assessment of geological - geotechnical identified during work on the site, this paper shows the analysis performed to determine quantitatively the status of hazardous conditions observed. Revision of geological models of behavior, kinematics analysis of large blocks through three-dimensional modeling, evaluation of local stereographic conditions and statistical simulations of falling fragments of rock, serve for defining risk mitigation measures needed to reduce the danger these facilities, thus demonstrating the importance of conducting geotechnical evaluations in detail in the degradation processes of slopes, which aims to reduce their impact on human activities.

1 INTRODUCCIÓN

Como parte del complejo de generación hidroeléctrica Fernando Hiriart Balderrama (Zimapán), la subestación eléctrica, oficinas técnicas, laboratorios y talleres, se encuentran alojados en una plataforma construida al pie de un cantil de unos 350 m de altura, constituido por una alternancia de rocas sedimentarias de buena resistencia mecánica. Derivado de las características geométricas de los sistemas de fracturamiento y de la condición de la roca superficial de dicho cantil, esta ladera ha presentado caídos de roca que por su trayectoria, se han impactado y retenido en un muro perimetral que rodea a la plataforma.

Durante las últimas temporadas de lluvia, tuvieron lugar desprendimientos de roca que alcanzaron las estructuras existentes en el área, generando afectaciones tales como rotura de

techumbres, fracturamiento de paredes de concreto y muros de mampostería.

Dada la necesidad de uso de la plataforma y puesto que el tamaño de los bloques desprendidos es considerable, se realizó un estudio geotécnico para evaluar las condiciones de seguridad existentes, con la finalidad de establecer medidas de mitigación capaces de brindar protección al personal y maquinaria localizados en ese lugar.

A partir de una matriz de riesgos y vulnerabilidades definida para dicha plataforma ante los posibles eventos que pudieran ocurrir, se determinan las medidas de mitigación de peligros necesarias para disminuir en medida de lo posible los efectos de un proceso de degradación de laderas, medidas derivadas de los resultados de análisis de estabilidad realizados a los mecanismos de falla identificados.

SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.

2 Título del trabajo

2 LOCALIZACIÓN DEL SITIO Y ANTECEDENTES DE AFECTACIÓN

La Central Hidroeléctrica Ing. Fernando Hiriart Balderrama (Zimapán) se localiza en los límites de los estados de Hidalgo y Querétaro (véase Figura 1).

Figura 1. Localización de la Central Hidroeléctrica Fernando Hiriart Balderrama

El acceso al sitio de las obras de generación se realiza tomando la autopista México-Querétaro hasta la población de San Juan del Río, llegando a esta población se sigue por un camino pavimentado de 32 kilómetros, hasta llegar al sitio de ubicación de la Central.

La subestación eléctrica, las oficinas técnicas, laboratorios y talleres, quedaron alojados en una plataforma al pie de un gran cantil, véase la Figura 2.

A través de esta plataforma se logra el acceso a la casa de máquinas de la central.

Figura 2. Ubicación de estructuras en la Plataforma 965

El 26 de septiembre de 2009 y el 04 de julio de 2010 tuvieron lugar desprendimientos de roca que alcanzaron las estructuras de dicha plataforma,

generando afectaciones en dichas construcciones tales como rotura de techumbres y fracturamiento de paredes. En los recorridos realizados en el sitio, se observó una gran concentración de fragmentos sobre el muro perimetral de la plataforma, condición que evidencia la frecuencia de dichos desprendimientos, dando como resultado, la necesidad de realizar un estudio para determinar el potencial a esperar en una condición extraordinaria, así como los efectos que esta situación pudiera generar.

En la Figura 3 se puede observar la condición descrita anteriormente, obsérvese en la esquina superior derecha el tamaño de bloques que se desprendieron en relación al personal que labora en el sitio.

Figura 3. Ubicación de estructuras en la Plataforma 965

3 GEOMORFOLOGÍA Y GEOLOGÍA LOCAL

3.1 Condición topográfica del cantilEl cantil en cuestión, presenta una topografía regular con una pendiente que oscila entre 65° y 70° de inclinación con respecto a la horizontal, su altura aproximada es de 350 m. Por encima de esta elevación, su pendiente disminuye hasta 53°.

3.2 Geología de la laderaLa geología de esta ladera pertenece al nivel inferior de la Formación Trancas del Jurásico (Jtmi), constituida por calizas micríticas, lutitas calcáreas interestratificadas con lutitas apizarradas y algunos estratos de areniscas calcáreas en estratos de 0,10 a 1,40 m siendo estos muy raros en este nivel. En la Figura 4 se presenta un cuadro litológico de esta formación.

Los tipos de roca que constituyen esta ladera particularmente son calizas y lutitas metamorfizadas incluyendo un dique - estrato granítico, la estratificación que tienen estos materiales presenta una actitud que buza al interior del macizo rocoso.


(sólo poner primer autor, ver ejemplo) APELLIDO Inicial del nombre et al. 3

Existen además al pie del cantil, pliegues anticlinales y sinclinales recumbentes.

Los sistemas de fracturamiento identificados en la zona fueron dos, uno de ellos casi paralelo a la ladera (E-W) producto de la descompresión y exposición al intemperismo pero con mayor inclinación y uno casi perpendicular de menor intensidad, pero en algunas ocasiones de gran continuidad (ver Figura 5).

Superficialmente se identificó que existen algunas lutitas en distintas tonalidades que evidencian intemperización, dichos estratos de lutitas se encuentran en espesores de 0.05 a 0.30 m. Las calizas por su parte son de gris claro, presentando re cristalización y silicificación con minerales metálicos diseminados y minerales de metamorfismo de contacto, como andalucita, granate, wollastonita, escapolitas e idocrasa.

Este miembro de la formación Trancas se manifiesta desde el nivel del río hasta la cota de elevación 1,300 m en la zona del cantil (ver Figura 6), constituyendo toda el área de estudio.

Figura 4. Distribución litológica del sitio

Figura 5. Condiciones estereográficas de la ladera

Las zonas donde el macizo rocoso presenta menor calidad y donde visualmente se identifican bloques de roca limitados por grandes discontinuidades fueron levantadas de manera

directa, registrándolas como zonas de amenazas identificadas, cuyas condiciones geológicas-estructurales fueron levantadas y registradas de forma estereográfica, ver Figura 6.

Figura 6. Litología y geología estructural de las zonas de amenazas identificadas

Dentro de las zonas de amenazas identificadas, se ubicó un pilar de roca llamado “Bloque A2” cuyo pie de apoyo resulta ser demasiado esbelto con respecto al tamaño de toda la masa, el cual se encuentra recargado en la ladera en su flanco izquierdo y con salida libre hacia una cañada en su lado derecho, la Figura siguiente muestra este prisma.

Figura 7. Morfología del Bloque A2



4 PROCESO DE ACCIÓN DEL INTERPERISMO Y MODELO GEOTÉCNICO DEL CANTIL

Durante los trabajos de geología de sitio, se pudo establecer el proceso que sigue el intemperismo en los estratos de roca, el cual inicia la disgregación de los estratos de calizas arcillosas y lutitas mas débiles, socavando estas capas y provocando la generación de huecos o zonas en cantiléver donde por efecto de peso, se inicia la generación de fracturas y por lo tanto el desprendimiento de bloques de diferente tamaño debido a la acción gravitatoria. Estas condiciones se pueden observar en la Figura 8.

Figura 8. Mecanismo de degradación de la ladera y formación de bloques

En cuanto a las propiedades que presenta actualmente el macizo rocoso, se realizó una caracterización de la roca en el sitio mediante el criterio de Hoek & Brown, efectuando para ello pruebas índice y mecánicas a la roca intacta de las diferentes unidades litológicas, para después y con ayuda de las clasificaciones geomecánicas de las zonas de roca sana como de macizo alterado, definir los parámetros mecánicos en si. Las tablas 1 y 2, muestran los resultados obtenidos.

Tabla 1. Resultados de las pruebas realizadas a la roca____________________________________________________U.G*. γ ** σci Et50 σt mi c Ф (kN/m3) (MPa) (GPa) (MPa) (MPa) (°)Formación 25.4 109 73 8.3 8.5 24.1 39Trancas____________________________________________________(*) Unidad Geológica, (**) Ambiente, σci y σt corresponden respectivamente a la resistencia a la compresión simple y a la tensión, mi es la constante de Hoek, c es cohesión y Ф es el ángulo de fricción interna.

Tabla 2. Parámetros de resistencia y deformabilidad de las diferentes zonas del cantil en la “Formación Inferior Trancas”______________________________________________________________________________________________________C.R*. GSI** Em*** mb s a c Ф (GPa) (MPa) (°)____________________________________________________Muy Buena 75 60 73 3.5 0.062 10.1 33Regular 67 48 73 2.6 0.026 8.5 31Mala 55 29 73 1.7 0.007 6.9 28____________________________________________________(*) Condición de la Roca, (**) Geological Strength Index (Hoek – Brown, 2002), (***) Modulo de deformabilidad, s, a y mb son constantes definida por el criterio antes citado

5 DEFINICIÓN DE RIESGOS GEOTÉCNICOS

A partir de los datos aportados por geología, los trabajos realizados por el área de geotecnia, los bloques de roca ubicados, las zonas de alteración existentes en el talud, las concentraciones de fragmentos en el muro perimetral y la evidencia de las vulnerabilidades de la plataforma ante los eventos de desprendimiento, quedó claro que se debían de valorar las condiciones que realmente representaban un riesgo, antes de iniciar con los tradicionales análisis de estabilidad.

La metodología utilizada para solventar esta incógnita se realizó a través de un análisis de riesgos (tabla 3), el cual se definió de manera cualitativa con base a la experiencia de proyectos ejecutados. De las amenazas visualizadas en el sitio y las propuestas, se revisó su impacto en la plataforma de acuerdo a su vulnerabilidad.

Esta condición fue un punto determinante en el desarrollo del proyecto, pues el diseño estructural de la plataforma y las estructuras que en el residen, no considera en si la acción de cargas vivas intensas, tal como se había visto en las afectaciones que tuvo durante los impactos de fragmentos.

Así, el criterio seguido fue el de evaluar los riesgos cuya vulnerabilidad estuviera en el rango de medio a alto, sin importar la magnitud de la amenaza.

Los análisis que resultaron necesarios para valorarse en cuanto a la determinación de riesgos son los siguientes:

1. Análisis geomorfológico del direccionamiento pluvial

2. Análisis de las condiciones geológico – estructurales del cantil

3. Análisis por desprendimientos de fragmentos de roca de tamaño común y de tamaños mayores



4. Análisis de estabilidad de zonas de mala calidad (modelo bidimensional)

Tabla 3. Matriz de riesgos ((B) bajo, (M) medio y (A) alto)________________________________________________________________________________________________________Amenaza Magnitud Vulnerabilidad PRESENCIA B M A B M A DEL RIESGO____________________________________________________

GENERALES_____________________________________________________Sísmica √ X NoPluvial √ X SiVegetación √ X NoG.E.* √ X SiCarsticidad √ X NoD**.Comunes √ X SiD**.Mayores √ X SiVibración √ X No____________________________________________________

MECANISMOS DE FALLA IDENTIFICADOS LOCALMENTE____________________________________________________Reptación √ X NoF.R***. Suelo √ X NoF.R.***’.Roca √ X SiCuñas √ X NoFalla Plana √ X NoVolteo √ X No____________________________________________________

CINEMATISMOS DEL BLOQUE A2 – Falla del apoyo -____________________________________________________Estático √ X SiE.H.**** √ X SiSísmico √ X SiCombinación √ X Si ____________________________________________________

CINEMATISMOS DEL BLOQUE A2 – Volteo del bloque -_____________________________________________________Estático √ X SiE.H.**** √ X SiSísmico √ X SiCombinación √ X Si

(*) Geología Estructural, (**) Desprendimientos, (***) Falla Rotacional, (***’) Falla Rotacional de roca de mala calidad, (****) Empuje hidrostático

De las amenazas descartadas en el análisis de riesgos, los siguientes enunciados muestran las consideraciones que llevaron a su eliminación:

1. En cuanto a la condición sísmica, la zona de la central se encuentra en la zona definida como “B”, de acuerdo al manual de obras civiles, dejando el valor de aceleración de terreno en un 0.15 g, condición que reduce en forma significativa su influencia y para la cual la plataforma esta totalmente resguardada

2. En cuanto a la vegetación, esta se encuentra en muy baja proporción, en cuanto al área del talud, existiendo preferencialmente en juntas de las zonas de roca alterada o en los bordes de las cañadas, la vulnerabilidad que tiene la plataforma, se ve soportada por el muro perimetral, el cual ah captado la gran mayoría de bloques pequeños, como los que se ven desprendidos debido a la acción de las plantas en el cantil

3. Tanto la Carsticidad como la vibración inducida, se eliminaron por su nula presencia y acción en el cantil

4. Todos los mecanismos de falla local, fueron anulados por la condición estereográfica de los sistemas de fracturamiento existentes en el talud, salvo la del deslizamiento por falla rotacional de las zonas de mala calidad

6 EVALUACIÓN DE LAS CONDICIONES DE RIESGO

6.1 Análisis geomorfológico del direccionamiento pluvialLa revisión de esta condición, se realizó revisando la geomorfología del cantil, visualizando que en la elevación 1290 msnm se localiza un parte - aguas de dos drenes que aporta flujo captado fuera del cantil, a través de las cañadas laterales, lo cual anula este riesgo en cuanto a la afectación de la plataforma por esta condición. Véase Figura 9.

Figura 9. Condiciones topográficas y de escorrentía superficial en el talud de la Plataforma 965

6.2 Análisis de las condiciones geológico – estructurales del cantilCon la finalidad de revisar la estabilidad de la ladera en su conjunto, se elaboró un estereograma que refleja las características estructurales reportadas, y con las cuales se obtuvo a su vez un modelo cúbico de comportamiento geológico-estructural de la misma, ver Figura 10.

Este modelo define las zonas de debilidad que estructuralmente han cedido en el cantil. Estas zonas de debilidad forman columnas esbeltas de roca y sin lugar a dudas representan a las cañadas existentes en el mismo. Su formación se da principalmente por la existencia del sistema F1 y el sistema F2, estos prismas van reduciendo su ancho hacia su base. El espesor estimado de estas zonas tiene una profundidad no mayor a 20 m.



Figura 10. Modelo cúbico de comportamiento geológico-estructural

Los bloques existentes fuera de las zonas críticas se acuñan hacia el macizo rocoso y cinemáticamente no presentan posibilidad de salida (como en el caso del bloque A2), sin embargo, los efectos del intemperismo natural que han alterado la roca en el cantil, seguirá actuando generando la gradual perdida de sus condiciones de apoyo.

Debido a que no existen fallas de gran dimensión cuya actitud permita el movimiento de la ladera y dado que la roca del sitio tiene propiedades de resistencia muy altas, se deduce que la posibilidad de una falla por condiciones geológicas - estructurales en la ladera de forma general y en su actual condición es básicamente imposible.

6.3 Análisis por desprendimientos de fragmentos de rocaLa caída de bloques que se ha presentado a lo largo de los años, ha reconocido las cañadas existentes, convirtiéndose éstas en las trayectorias preferenciales de acarreo de bloques.

Dado que esta es la vía preferencial de recorrido, se obtuvieron las secciones topográficas de dichas cañadas para determinar cuan abrupto es el terreno en el recorrido de los fragmentos de roca. Las trayectorias principales encontradas fueron 6, y se encuentran ubicadas en la Figura 11.

Para poder ponderar el efecto de un desprendimiento de menores dimensiones, fue necesario realizar las simulaciones de caída de bloques mediante software especializado.

El objetivo de estos análisis reside en conocer las características de los “rebotes” que se generan cuando los bloques de roca impactan con el terreno, permitiendo la evaluación sus alturas y las energías de impacto, además de que por procesos estadísticos, se puede conocer la probabilidad de incidencia y daños en las estructuras ubicadas en la plataforma 965 msnm.

Figura 11. Trayectorias identificadas de caída de fragmentos de roca

Para definir los coeficientes de restitución energética normal y tangencial de los materiales del cantil, fue necesario realizar observaciones detalladas de distancias entre el cantil y las estructuras en las que han existido impactos.

De igual manera, se tomó como dato y evidencia, los fragmentos de roca encontrados en el sitio, determinándose que las dimensiones máximas de los mismos son de 1.00 m de largo, 0.45 m de ancho y 0.45 m de espesor, lo cual genera un peso de 0.5 toneladas, ver Figura 12.

Para calibrar las propiedades del modelo, la masa definida se colocó en el punto más alto de la sección de análisis, con velocidades horizontales y verticales nulas y asignando velocidades angulares menores a un giro por segundo debido a que los fragmentos de roca de mayor tamaño son tabulares condición que incide directamente en las distancias de rebote.

De acuerdo a los resultados obtenidos, se observa que el muro actual retiene desde el 40 % hasta 80 % de los fragmentos de 1.6 toneladas según la trayectoria; y resulta mayor si el tamaño de los fragmentos disminuye.

La energía de impacto máxima es de 1200 kJ con una distancia máxima de recorrido de 20 m y una altura máxima sobre el muro existente de 8 m. Por último y mediante tanteos se calibraron las propiedades y desviación estándar de los coeficientes de restitución, velocidad angular de la masa y número de bloques por trayectoria, generando resultados semejantes a los encontrados en campo (ver Figura 3).



Figura 12.Tamaño máximo de bloque encontrado en el sitio

Con estos datos, se realizaron análisis a cada una de las trayectorias encontradas, pero ahora con un peso de bloque de 1.6 toneladas, mayorando el tamaño de los bloques de acuerdo a la tabla de riesgos generada. La Figura 13, muestra el resultado de uno de los análisis realizados. De esta forma se evidencia que el desprendimiento de fragmentos representa un riesgo latente y que debe de ser tratado para disminuir su efecto en la plataforma.

Figura 13. Simulación de caídos en la sección 3

6.4 Análisis de estabilidad de zonas de mala calidad (Modelo bidimensional)Esta condición se evaluó mediante un análisis de un bidimensional por medio del equilibrio límite, en la sección más desfavorable en cuanto a pendiente y con las propiedades de la roca más alterada, resultando altos factores de seguridad, por lo que se descarta el riesgo en esta condición, ver Figura 14.

Figura 14. Análisis bidimensional de las zonas de mala calidad (materiales en gris)

6.5 Análisis de estabilidad de cinematismos en el bloque A2 (Modelación tridimensional)Dado que la geometría de este prisma coincide directamente con la estereografía definida para el cantil, es necesario definir los cinematismos actuantes en el mismo para establecer su estabilidad en la condición actual y bajo las acciones que regularmente existen en el cantil.

A partir del análisis estereográfico se determinó que este bloque tiene la geometría de un prisma esbelto que se encuentra apoyado sobre un pequeño pie empotrado en la ladera. Posteriormente y para revisar el cinematismo de este bloque se generó un modelo tridimensional (Figura 15) a partir de la estereografía, la topografía y los datos geológico – estructurales estudiados con anterioridad, la tabla 4 muestra sus datos geométricos y dimensiones.

Tabla 4. Datos y dimensiones del bloque A2 _____________________________________________________Dato o dimensión Cantidad_____________________________________________________

Altura del bloque (m) 56,00Volumen del bloque (m3) 1882,40Peso del bloque (ton) 5085,64Área lateral del plano de la F1 (m2) 348,29Área lateral del plano de la F2 (m2) 278,41Inclinación de la línea de intersección (°) 71,00Longitud de la línea de intersección (m) 59,23

La evaluación realizada del apoyo, se basó en analizar si la resistencia a la compresión y la geometría de esa masa de roca, es capaz de soportar el peso del bloque, a partir de las diferentes acciones que existan en el sitio, la primera de ellas evalúa el efecto de peso propio, teniendo en cuanta la ecuación 1, la cual se encuentra gobernada por las fuerzas de fricción, cohesión y normales en las paredes del contacto del bloque con la ladera.



σ p =T−(R1−R2) tan Φ−c( A1− A2 )

Ap (1)Dónde: T = Fuerza tangencial que ejerce el peso

del bloque en la línea de intersección (ton); Ri= Fuerzas normales a los planos de contacto (ton); Φ= Ángulo de fricción interna del contacto bloque – ladera (°); Ap= Área del pie del bloque considerando la configuración de la estratificación (m2); c= Cohesión del material existente en el con tacto bloque – ladera (ton/m2); Ai= Área de los planos de contacto del bloque con la ladera (m2).

Debido a que el agua de lluvia puede estar presente entre los contactos bloque-ladera, se aplicó la ecuación 2 para determinar que tanto aumenta la presión en el pie del bloque, debido a diferentes porcentajes de llenado, con la consecuente reducción del apoyo del mismo en las paredes.

σ pw =T−[( R1−u1) tan Φ+( R2−u2 ) tan Φ ]

Ap (2)Dónde: u= Fuerzas de empuje hidrostático en las

paredes (t).

Figura 15. Estereograma y vistas en isométrico del modelo tridimensional del bloque A2

Tomando en cuenta los efectos sísmicos que pudieran incidir en el bloque, se evaluó de igual manera una componente vertical que actúa directamente en los puntos de apoyo del bloque, lo cual genera una sobrepresión sobre todo en el pie del mismo, dicha condición se calculó con base en la ecuación 3.

σ kt=T+Fkt−[( R1 ) tan Φ+ (R2 ) tan Φ ]

A p (3) Dónde: Fkt= Fuerza sísmica (0.15 de la gravedad

multiplicada por el peso) ejercida en dirección de la línea de intersección (t).

Al combinar las condiciones de carga sísmica e hidrostáticas resulta evidente un incremento en los esfuerzos transmitidos en el pie del bloque, dicha combinación de acciones se consideran dentro de la ecuación 4.

σ kt=T+Fst −[ (R1−u1−1. 5 Fsn ) tan Φ+ (R2−u2−1.5 Fsn ) tan Φ ]

Ap (4) Dónde: Fst y Fsn = Fuerza sísmica tangencial a la

línea de intersección ejercida por el coeficiente sísmico de la zona (t).

Los factores de seguridad para los casos anteriores se calcularon de acuerdo a la ecuación 5.

FS=σc

σ p , σ pw , σkt , σ sw (5)

Posteriormente la acción de las fuerzas sísmicas en sentido horizontal fue evaluada, simulando fuerzas inerciales ejercidas en el centroide del bloque, resultando en el volteo del mismo. La ecuación 6 evalúa el factor de seguridad con base en el cálculo de los momentos alrededor del pie del bloque.

FS=DFN

dFT+dFst+DFsn (6) Dónde: D= Distancia de la base del pie hasta el

centroide del bloque en dirección de la línea de intersección; FN= Fuerza normal ejercida por el peso del bloque en la línea de intersección (t); d= Distancia del centroide del bloque a la esquina del pie (m); FT= Fuerza tangencial ejercida por el peso del bloque en la línea de intersección (t).

Para evaluar las condiciones hidrostáticas combinadas con las sísmicas, se supuso que el efecto sísmico horizontal se adicionara a los incrementos de presión hidrostática, generando evidentemente momentos de volteo, los cuales disminuyen las fuerzas de fricción y normales en las caras de apoyo del bloque, aumentando los esfuerzos en el pie del mismo. Lo anterior queda asentado en la ecuación 7.

FSMhw=DFN

dFT +dFst+ DFsn+0.5 Lu % u% (7)



Dónde: u%= Fuerza de empuje hidrostático en la línea de intersección de acuerdo a su porcentaje de llenado (ton); Lu%= Distancia de la línea de intersección con respecto al porcentaje de llenado (m).

Los factores de seguridad obtenidos de la respuesta del pie ante efectos antes evaluados muestran que bajo condiciones normales (empujes hidrostáticos menores al 75% de llenado de juntas y empujes debidos a sismicidad), el comportamiento resulta seguro para la estabilidad de la ladera (tabla 5 y 6.)

Tabla 5. Factores de seguridad ante la respuesta del pie del bloque A2 ante diferentes condiciones de cargaCondición c(t/m2) Ф(°) u(%) Fk FSEstática 1 30 - - 3.31Estática - 30 - - 3.01Estática + agua - 30 25 - 2.16Estática + agua - 30 50 - 2.03Estática + agua - 30 65 - 1.73Estática + agua - 30 75 - 1.46Estática + agua - 30 100 - 0.78Pseudoestática* - 30 - 0.15 1.74Pseudoestática** - 30 - 0.15 1.81Pseudo** + agua - 30 25 0.15 1.70Pseudo** + agua - 30 50 0.15 1.53Pseudo** + agua - 30 65 0.15 1.37Pseudo** + agua - 30 75 0.15 1.14Pseudo** + agua - 30 100 0.15 0.65____________________________________________________

(*) Fuerza sísmica actuando de forma vertical, (**) Fuerza sísmica actuando de forma horizontal

Tabla 6. Factores de seguridad del bloque ante efectos de volteo inducidoCondición Ф(°) u(%) Fk FSPseudoestática** 30 - 0.15 1.34Pseudo** + agua 30 25 0.15 1.31Pseudo** + agua 30 50 0.15 1.10Pseudo** + agua 30 65 0.15 0.94Pseudo** + agua 30 75 0.15 0.82Pseudo** + agua 30 100 0.15 0.79____________________________________________________

(**) Véase la tabla anterior

La conclusión obtenida es que, el bloque A2 es estable, puesto que para que se produzca su falla deberían existir condiciones extremas con muy poca o nula probabilidad de ocurrencia, sin embargo con el paso del tiempo y si el pie de apoyo cambia sus dimensiones por degradación o perdida de resistencia, el daño que puede sufrir la plataforma sería demasiado alto.

7 CLASIFICACIÓN DE RIESGOS Y PROPUESTAS DE MEDIDAS DE MITIGACIÓN.

Como conclusión de los resultados obtenidos anteriormente, los niveles de riesgo para las instalaciones de las obras externas de la plataforma 965 (sin considerar daños al personal que labora en

la plataforma) quedan acotados de la manera siguiente: A . Riesgo constante con efectos de mediano a

alto grado en la plataforma. Caída de fragmentos de roca de diversas dimensiones con peso máximo de 1,6 toneladas, capaz de averiar gravemente muros de concreto reforzado. Mitigación de riesgo inmediata.

B. Riesgo a largo o muy plazo, con efectos muy grandes en la plataforma. La alteración del pie del “Bloque A2”, con capacidad de movilizar hasta 5100 toneladas de roca. El plazo para definir la alteración del bloque puede ser de alrededor de años a décadas. Por lo tanto se debe prever un tratamiento para mitigar este efecto de degradación.

C. Riesgo mínimo o nulo sin efectos en la plataforma. Falla de la ladera por captación pluvial, por condiciones geológicas – estructurales y por falla rotacional en roca de mala calidad. Para establecer las medidas de mitigación para el

caso A y debido a que la caída de fragmentos de bloque se deben principalmente a la alteración natural de la ladera, se revaluaron los resultados obtenidos en las simulaciones, pero colocando una barrera a 3 metros del muro existente en dirección al cantil, la altura e inclinación de esta se diseñó de tal modo que cubra la altura máxima de rebote de bloques, requiriéndose una barrera que soporte al menos 1500 kJ de energía de impacto, de 6 metros de altura y 30° de inclinación contra la vertical, la longitud deberá de ser de 110 m, distancia necesaria para resguardar las zonas al bajo de la zonificación topográfica. La Figura 16 muestra el arreglo propuesto.

Figura 16. Arreglo de la colocación de la barrera flexible

En el caso del pie del bloque A2, si bien, la falla de este bloque tendría efectos críticos en los edificios de la plataforma; el mecanismo de falla se activaría por efecto del intemperismo de la roca del pie, para evitar esto es imperante aislar dicho apoyo de la intemperie.



Por lo que se propone construir un muro de mampostería de 5 metros de altura, el cual deberá estar debidamente drenado, para visualizar la orientación, desplante y volumen de este muro, se completó el modelo tridimensional el cual corresponde la Figura 17.

Figura 17. Muro de mampostería

8 CONCLUSIONES

Los procedimientos analíticos presentados en este documento, son el resultado de un análisis geológico–geotécnico para la resolución de una problemática generada por procesos erosivos de una ladera.

La metodología aplicada, no se basa solamente en la determinación del mecanismo de comportamiento más viable, si no en la evaluación exhaustiva de una serie de probables eventos, condiciones para las que ya existen procedimientos analíticos definidos.

El establecer como punto de partida la visión de que la escala y tiempos humanos, no son compatibles con los tiempos que requieren los procesos geológicos, facilita en gran manera las estimaciones y valoración de riesgos del tipo geotécnico, pues determinar el tiempo correcto para que se desencadene una falla como la del bloque A2, nos ubica en una escala en la cual el tiempo y condiciones humanas son irrelevantes a un proceso de erosión de macizos rocosos con las condiciones del cantil analizado.

Las recomendaciones emitidas para mitigar los riesgos evaluados, cubren de buena forma, los niveles de riesgo estimados, dando soluciones que económicamente son viables y constructivamente simples. Por lo tanto, se puede decir que, para estimar los niveles de riesgo en una ladera natural de roca, que esta presentando sus procesos de

degradación natural, lo más importante es definir el marco geológico general de la misma, para después particularizar cada situación observada en el sitio, condición que, sin lugar a dudas, definirá de acuerdo al marco contextual, la estabilidad de los bloques o acomodos de roca encontrados en sitio.

La valoración final de estos puntos debe realizarse con miras hacia los daños que puedan ocasionar tanto a la sociedad como a su infraestructura, puesto que y aunque los procesos de laderas generalmente son continuos, (y salvo que se presente alguna condición inminentemente catastrófica y que no se evidencie en el sitio), estos pueden ser controlables o evitables.

Como tal, esta área de estudio representa un gran reto para la ingeniería geotécnica, debido a que la ponderación de daños en términos de vidas humanas es inaceptable y la determinación de los eventos en estas condiciones, no es totalmente determinista.

REFERENCIAS

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