2.6. MEDIDAS DE PREVENCIÓN Y CONTROL DE LOS EFECTOS DE
2.6.2. Medidas de prevención y control
Un primer paso en la prevención de los efectos de los deslizamientos catastróficos, es identificar l as áreas que pueden v erse afectadas, y ev aluar l a pr obabilidad de que esto suceda en un determinado período de tiempo, para llegar a la elaboración de los mapas de riesgo aplicando alguna de las diversas metodologías existentes. En la literatura puede e ncontrarse numerosa información al respecto, por ejemplo, el mapa de riesgo de la Figura 2.18 ha sido elaborado por García et al. (2003)
Figura 2.18. Mapa de zonificación de riesgos de flujos de derrubios para el abanico aluvial de Macuto, Estado Vargas, Venezuela
Tomado de: García et al. (2003) Hazard mapping for debris flow events in the alluvial fans of northern Venezuela
La finalización del proceso de evaluación del riesgo, es el inicio de otro en el que se combinan la aceptación y la prevención tanto de l os peligros como de los riesgos. Se deben t omar deci siones y est ablecer pr ioridades que se rán i mplementadas a través de medidas de estructurales y no estructurales dirigidas a prevenir, controlar y/o mitigar los efectos de los flujos de derrubios
Medidas no estructurales
Se t rata del t ipo de medidas más efectivas, si empre y cu ando p uedan se r implementadas. Contemplan normativas y reglamentos de ordenamiento territorial, la planificación local y regional de uso del terreno y los planes de emergencia. Con respecto a los dos primeros puntos, muchos países afectados por este problema, tanto desa rrollados como en vías de desa rrollo, ha n elaborado normativas legales y no só lo las han estado aplicando desde hace varias décadas en l os documentos de pl anificación, sino q ue las actualizan regularmente. La práctica más común es la delimitación de zonas según niveles de riesgo. En áreas de ex trema pel igrosidad el uso puede se r r estringido totalmente por ejemplo a reservas naturales, en otras zonas de pel igro el desa rrollo puede l imitarse al mínimo, espacios recreativos, pastoreo y ciertos tipos de agricultura. En las zonas de medio-bajo riesgo el condicionamiento del uso es más amplio.
Ahora bi en, lo fundamental no es la ex istencia de nor mativas y pl anes sino su aplicación, que puede resultar difícil sobre t odo en el largo pl azo. P or otra pa rte, cuando se trata de ár eas de alta peligrosidad que ya están desarrolladas y que deban se r desa lojadas, el pr oblema de apl icabilidad es aún m ayor. De cu alquier modo, en este tipo de medidas es absolutamente necesaria la participación pública y deben ir acompañadas del soporte financiero por parte del gobierno central y de las autoridades locales.
En muchos otros casos se trata de ciudades y poblaciones asentadas en zonas de peligrosidad elevada, cuyo desalojo es inviable y que deben convivir con el riesgo. Aquí, l as medidas persiguen minimizar l as consecuencias y co ntemplan l a implementación de sistemas de alerta, la elaboración de planes de evacuación, la realización de pr ogramas de información y edu cación de l a pobl ación acerca del comportamiento ante un suceso de est e tipo, la previsión de subsidios en caso de catástrofes, etc.
Los planes de em ergencia pued en se r apoy ados con el monitoreo de l os movimientos del terreno y de ot ros factores. Este seguimiento se realiza mediante un sistema de sensores cuyas mediciones son trasmitidas a ordenadores para su almacenaje y pr ocesamiento, de ser posible en tiempo real. El USGS (1999) ha desarrollado un procedimiento centrado en la detección de precipitaciones, condiciones hidrogeológicas, aceleraciones de movimientos de capas y vibraciones del su elo aso ciadas con m ovimientos que pueden dese stabilizar una ladera. Má s recientemente Wieczorek et al. (2003), han introducido mejoras a este método basadas en el an álisis de i nformación sa telital para am pliar su apl icación a fenómenos de mayor extensión como los flujos de derrubios.
El pr oblema co n es te tipo de t écnica es que las variables que i nfluyen en l a estabilidad del terreno son numerosas, y no todas pueden ser medidas. Además, para ser empleados con eficiencia en los sistemas de alerta deben estar asociados a m odelos matemáticos complejos y haber sido calibrados con observación experimental y de ca mpo, a modo de definir umbrales reales de lluvia, desplazamientos etc. En H ong K ong han u tilizado si stemas de m onitoreo con buenos resultados.
Medidas Estructurales
Tienen como finalidad controlar el su ceso o m inimizar su s daños mediante l a construcción de infraestructuras y otros medios.
Existes diferentes t ipos de medidas, l os pr incipales se describen brevemente a continuación.
(i) Medidas que tratan de impedir que ocurran flujos de derrubios. Se trata de estrategias dirigidas a evitar que se produzca la fluidización de sedimentos en las riberas de los ríos o que los sedimentos provenientes del colapso de las laderas lleguen a las corrientes de agua. Las presas de control y la consolidación y protección de laderas, son actuaciones que pueden resultar eficaces en la prevención de movimientos.
(ii) Medidas para contener los derrubios. S u ob jetivo es retener der rubios y sedimentos sobre todo los de grandes dimensiones, de ese modo se logra reducir el volumen de descarga, alargar el tiempo de viaje hasta el abanico aluvial y disminuir la concentración del fluido, pudiéndose incluso cambiar
su naturaleza y comportamiento al de un flujo cargado de sedimentos. Las estructuras de r ejillas, las presas de co ntrol y l as barreras y cu encas de almacenaje pertenecen a esta clase.
(iii) Medidas para controlar la dirección de l os flujos de derrubios. Se persigue con ellas obligar al flujo a seguir determinadas trayectorias. Canalizaciones, presas de control, muros laterales, muros de desviación, obstáculos al flujo y barreras terminales son las más usadas.
(iv) Medidas para el depósi to de l os derrubios. Se trata de ac tuaciones cuyo objetivo es que se produzca la disipación de energía y, al detenerse el flujo, el depósi to del material q ue ar rastra. Las ár eas de sedimentación y l as cuencas de almacenaje son de este tipo.
Principales medidas estructurales
Áreas de depósito
Se trata de superficies extensas de pendiente reducida que suelen estar parcialmente excavadas, en l as que el f lujo se esparce y disipa su ene rgía hasta que se detiene y se deposita.
Figura 2.19. Esquema ilustrativo de las áreas de depósito
Modificado de: Van Dine (1996) Debris flow control structures for forest engineering
En su di seño debe t enerse en cu enta el v olumen de l a m asa movilizada, l a distancia que puede recorrer y la pendiente de la masa que se va a almacenar.
Este tipo de medida está especialmente indicado para grandes abanicos aluviales con poca pendi ente y c on poca s estructuras aguas arriba. R equiere d e l abores sistemáticas de limpieza una vez que se deposita el material
Obstáculos al flujo
Pueden ser naturales o artificiales, se utilizan para disminuir la velocidad del flujo y propiciar su det ención, aunque en ocasiones pueden em plearse para desv iar la trayectoria. Las barreras artificiales pueden ser de tierra, madera o ace ro. Suelen combinarse con otras formas de control como las áreas de depósito.
Figura 2.20. Esquematización de la medida de obstáculos al flujo Modificado de: Van Dine (1996) Debris flow control structures for forest engineering
El diseño debe tener en consideración el volumen de la masa, la trayectoria, la distancia de r ecorrido, l as fuerzas de i mpacto so bre l as estructuras y l a sobre- elevación del fluido durante el impacto. Es una práctica común que después de ejercer su función sean destruidas o reemplazadas por otras.
Presas de control
Usualmente se construyen en serie sobre la trayectoria del flujo. Se emplean para reducir localmente la pendiente del terreno, contener material y sedimentos transportados por l a co rriente y regular el flujo. También pueden ubicarse en el abanico aluvial.
Las consideraciones de diseño incluyen la trayectoria aguas arriba de la estructura y el volumen máximo a almacenar. Deben resistir las fuerzas puntuales dinámicas, los desplazamientos, los incrementos de presión y los vuelcos.
Figura 2.21. Esquema de un sistema de presas de control
Modificado de: Van Dine (1996) Debris flow control structures for forest engineering
Existen varias clases de presas de control:
Presas de co ntrol c erradas. S on r ebasadas por el ag ua e i nterceptan el m aterial sólido de mayor tamaño, las partículas finas pasan suspendidas en el agua.
Presas de control abiertas. Conocidas también como presas permeables, el cuerpo de l a pr esa tiene abe rturas en forma de r ejillas o co n ab erturas verticales. Normalmente son de gr andes dimensiones y su capacidad de al macenamiento le permite hacer frente a eventos de carácter extraordinario.
En las presas de rejillas las aberturas son amplias para producir un efecto selectivo de retención en los sedimentos de m ayor tamaño y troncos de árboles. El material que se va acumulando aguas arriba de la presa llega a obstruir las aberturas y a partir de ese m omento l a acci ón es de f iltrado. La pr esencia de m aterial vegetal puede ace lerar el proceso. Con el t iempo estas presas tienden a taponarse y a funcionar como una presa de control cerrada.
Las presas de control abiertas con abertura vertical, retienen parte del sedimento transportado apr ovechando el ef ecto del r epresamiento del ag ua, de manera q ue parte de l as partículas se deposi tan ag uas arriba de l a pr esa. Las aberturas son continuas desde la parte baj a de la presa hasta su coronación y pueden se r una sola o varias separadas uniformemente. Generalmente son de hormigón armado o en masa, aunque también pueden ser de madera.
La di stancia ent re l as presas de co ntrol depen de de l a pend iente, l a a ltura de l a presa, la pendiente del material depositado detrás de la presa y la extensión aguas abajo de la trayectoria.
Figura 2.22. Perfil longitudinal de un sistema de presas de control Modificado de: Van Dine (1996) Debris flow control structures for forest engineering
Muros laterales
Se usan par a proteger l as márgenes laterales y para di reccionar el flujo por un a trayectoria específica. Se construyen paralelos a la trayectoria del movimiento con materiales sueltos, hor migón en masa o ar mado y m ateriales compuestos. Su ubicación y diseño se debe hacerse tratando, en lo posible, de evitar el depósito de material en los lados. Resultan bastante eficaces en la entrada del abanico aluvial. Los parámetros de diseño son la descarga máxima y la profundidad del flujo.
Figura 2.23. Esquema que muestra la ubicación de muros laterales Modificado de: Van Dine (1996) Debris flow control structures for forest engineering
Muros de desviación
Son similares a los muros laterales en cuanto a localización, pero su objetivo es re- direccionar el flujo evitando que siga su trayectoria anterior. Se usan para proteger estructuras, desviar el flujo de un ár ea determinada del abanico aluvial y alargar la trayectoria. Se co nstruyen co n hor migón a rmado o t ambién co n m ateriales de l a zona.
En el diseño se consideran los valores máximos para la descarga y la profundidad, también, por su forma curva, las fuerzas de impacto y la sobre-elevación.
Figura 2.24. Esquema de los muros de desviación.
Modificado de: Van Dine (1996) Debris flow control structures for forest engineering
Canales de conducción o desviación
Se ut ilizan par a desv iar el flujo ha sta l ugares donde no se v ea am enazada l a seguridad. Deben tener secciones transversales suficientemente grandes para absorber los niveles de descargas pico sin desbordarse. En lo posible se diseñan con alineamientos rectos, cuando las curvas sean inevitables, sus radios deben ser grandes. También deben evitarse cambios bruscos en el alineamiento longitudinal.
Barreras en el extremo final
Constituyen una obstrucción física a l a trayectoria del movimiento para propiciar el depósito de m aterial. La longitud debe se r t al q ue el flujo pueda r odearlas. Se colocan l o m ás lejos posible de la ent rada al abanico al uvial par a m aximizar l a distancia r ecorrida y el área de depósi to, y m inimizar las fuerzas de impacto y la
sobre-elevación. En algunos casos es recomendable realizar una excavación en el área localizada antes de la barrera para aumentar la capacidad de almacenamiento y d isminuir l as fuerzas de i mpacto y l a sobre-elevación. Requieren d e l impieza periódica.
Los factores de diseño incluyen: volumen, trayectoria, distancia recorrida, fuerzas de impacto, elevación y ángulo de almacenamiento.
Figura 2.25. Esquema de las barreras en el extremo final
Modificado de: Van Dine (1996) Debris flow control structures for forest engineering
Estructuras de rejilla
Su función principal es separar el material de g randes dimensiones del más fino y del agua. Las rejillas pueden colocarse también como componente de las barreras. Se construyen con un gran núm ero de m ateriales: se cciones metálicas, m adera, hormigón, cables, etc.
Se ubican en la trayectoria del flujo, a menudo son usadas para evitar el bloqueo de las estructuras de paso. Para mantener su efectividad los materiales retenidos deben ser eliminados periódicamente.
Los parámetros de diseño incluyen el volumen de material, la trayectoria, la granulometría, las fuerzas de impacto y la pendiente del material almacenado.
Figura 2.26. Esquema de colocación de una estructura de rejilla.
Modificado de: Van Dine (1996) Debris flow control structures for forest engineering
Barreras y cuencas de almacenaje
Se trata de una m edida combinada destinada a almacenar material en la cuenca y retener los fragmentos más grandes, manteniendo el paso de l a co rriente. L a cuenca de al macenaje puede se r ex cavada para aum entar su ca pacidad d e almacenamiento. Además debe ser vaciada y limpiada después de cada evento que deposite cantidades importantes de material. Las consideraciones de diseño incluyen el volumen de material, la granulometría, los r ecorridos potenciales, l as fuerzas de impacto, la sobre-elevación y la pendiente del material almacenado.
Figura 2.27. Esquema de barrera y cuenca de almacenaje.
Es la forma de co ntrol más cara, por lo que debe ser proyectada optimizando el diseño para minimizar los costes de construcción. Resulta apropiada para amplios abanicos aluviales con poca pendiente.
Selección del tipo de medidas estructurales
Un aspecto fundamental en la selección de l as estrategias de mitigación es el tipo de flujo de derrubios que se pretende controlar.
Para las corrientes de lodo los tipos de estructuras más efectivos son los canales rectos de conducción, los muros laterales y los disipadores de energía. Las cuencas de almacenaje sólo pueden co nsiderarse cuando puedan contener el volumen de agua y sedimentos de eventos extraordinarios. Resultan inapropiados las estructuras de rejillas, las presas de control y los muros de desviación.
En los flujos de lodo, o flujos de derrubios viscosos, las estructuras más adecuadas son las cuencas de almacenaje, las áreas de depósitos, las barreras en el extremo final y lo s obstáculos al f lujo. M enos eficaces son l as presas de co ntrol y l a canalización.
En los flujos de derrubios, son bastante eficientes las presas de control en la parte alta de la cuenca y la canalización, tanto para desviar como para conducir el flujo turbulento de la matriz.
Una práctica común es co mbinar m edidas ya que una so la normalmente resulta insuficiente. E l t amaño de l as estructuras varía de acu erdo co n l as condiciones topográficas locales, la factibilidad de construcción, costes, importancia de la cuenca y fuerzas externas.
3.1.
INTRODUCCIÓN
A par tir de l os años 70, se pr oduce un v ertiginoso desa rrollo de l as técnicas numéricas basadas en el m allado, bien de t ipo est ructurado como las diferencias finitas o no est ructurado co mo l os elementos y volúmenes finitos. E xisten excelentes textos en los que se trata este tema como el Zienkiewicz y Taylor (2000).
Los “métodos numéricos con malla” han sido usados exitosamente en la modelización de una am plísima variedad de fenómenos físicos, sin embargo, en el ámbito de la Hidráulica y de la Mecánica de Fluidos, la generación de la malla o sus distorsiones limitan su eficiencia y precisión. Problemas como el seguimiento de l a superficie libre, cuando la formulación es Euleriana, o de grandes deformaciones en la malla, si el esquema el Lagrangiano, requieren de la aplicación de tratamientos especiales que incrementan enormemente el esfuerzo computacional, como Level Set o VOF (Volumen Of Fluid), en el pr imer ca so, o r emallado adapt ativo, en el
segundo caso.
En l a m isma déca da de l os 70, em pieza a h ablarse de ot ro tipo de t écnicas numéricas donde la información no está asociada a una malla, llamada, por razones obvias, “métodos sin malla” (meshless o meshfree). Representan una aproximación de gran g eneralidad y flexibilidad para el es tudio de m edios continuos y, en particular, de fluidos y su i nteracción co n só lidos. S u em pleo per mite analizar situaciones reales complejas, difíciles de modelizar con otras técnicas tradicionales.
Constituyen una al ternativa q ue puede se r muy efectiva par a tratar pr oblemas de superficie libre o de inter-fases entre fluidos distintos.
Estos m étodos permiten apr oximar f unciones y sus derivadas a par tir d e valores puntuales en una serie de partículas irregularmente distribuidas y de cierta información g eométrica co mo, por e jemplo, l as distancias entre el las. La aproximación no requiere q ue las partículas estén interconectadas entre s í, co mo ocurre en el caso de los nodos de los elementos finitos. Las partículas son análogas a l as celdas o el ementos en l os métodos con m alla, só lo que é stos últimos representan ex plícitamente una po rción del dominio t otal, m ientras q ue l as partículas tienen un volumen asociado al que representan implícitamente.
Una v entaja si gnificativa del uso de l os métodos sin m alla es la co nsiderable reducción del tiempo de cálculo, pues, en general, el mallado de un objeto consume un 70% del tiempo total de cómputo. Además, su orden de convergencia es mayor, entendiendo por convergencia la disminución del error conforme el número de partículas o nodos, aumenta.
A lo largo de más de tres décadas los métodos sin malla han sido objeto de intensa investigación y desa rrollo, d ando l ugar a múltiples propuestas entre l as que destacan, el Smoothed Particle Hydrodynamics Method presentado, de manera independiente, por Lucy (1977) y por Gingold y Monaghan (1977), el método de los Elementos Difusos introducido por Nayroles, Touzot y Villon (1992), el método
Element Free G alerkin propuesto po r Belytschko, Lu y G u ( 1994), el m étodo hp- cloud de Duarte y Oden (1996), el método de Unidad de Partición desarrollado por Babuska y Melenk ( 1997) y e l m étodo del P unto Fi nito formulado por Oñate e Idelsohn (1998).
En este trabajo se aplica el Smoothed Particle Hydrodynamics Method (SPH) como técnica numérica de discretización de las ecuaciones.