Métodos preliminares de estimación de amenaza

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

MÉTODOS PRELIMINARES DE ESTIMACIÓN DE

AMENAZA

Presentado por:

Karina Peñaranda Valero

Asesorado por:

Profesor Nicolás Estrada

Departamento de Ingeniería Civil

Tabla de Contenido

1. Introducción ...iii

2 Objetivos ...iii

3 Área de estudio ...iii

4 Análisis de Estabilidad ... vi

4.1 Revisión de información existente ... vi

4.2 Código Uniandes ... vii

4.3 Análisis de estabilidad en ArcMap ... xiv

5 Ventajas y desventajas de los métodos ... xvii

5.1 Revisión de información existente ... xvii

5.2 Código Uniandes ... xvii

5.3 Análisis de estabilidad en ArcMap ... xvii

6 Comparación de resultados ... xviii

7 Conclusiones... xx

8 Referencias ... xxi

Lista de Figuras

Figura 2 Mapa de pendientes ... v

Figura 3 Mapa de amenazas por movimientos en masa e inundaciones de la Jurisdicción de CORANTIOQUIA. Fuente: Corporación Autónoma Regional del Centro de Antioquia (2011). ... vi

Figura 4 Esquema de metodología ... viii

Figura 5 Valores de cohesión de 5 subtipos de suelo ... xi

Figura 6 Valores de peso unitario de 5 subtipos de suelo ... xi

Figura 7 Valores de tangente del ángulo de fricción de 5 subtipos de suelo ... xii

Figura 8 Resultados código Uniandes ... xiii

Figura9 Resultados ArcMap ... xvi

Figura 10 Comparación de resultados ... xix

Figura 11 Detalle de zona de estudio ... xx

Lista de Tablas

Tabla 2 Resultados Código Uniandes ... xii

Tabla 3 Datos de entrada ArcMap ... xv

1. Introducción

En este documento se presentan tres (3) metodologías para analizar la estabilidad de un área particular. Se realizará una correlación entre la información presentada en mapas disponibles, resultados de simulaciones de un código desarrollado por la Universidad de Los Andes y un mapa de amenaza realizado en ArcMap, para definir cuáles son las zonas críticas y estables del área de interés.

Las metodologías presentadas en este documento son herramientas útiles para el desarrollo de análisis preliminares, pues a partir de ciertas propiedades del suelo, condiciones de saturación y el levantamiento topográfico se puede definir a grandes rasgos cuáles son aquéllas áreas en las que podría presentarse un deslizamiento.

2 Objetivos

 Realizar un análisis de estabilidad del área de interés.

 Desarrollar una metodología para la creación de mapas de amenaza en ArcMap.

 Estudiar el algoritmo del código desarrollado por la Universidad de Los Andes para evaluar la estabilidad.

 Estudiar la información y mapas disponibles.

 Comparar los resultados de diferentes metodologías para el análisis de estabilidad.

3 Área de estudio

El área que se estudiará tiene una extensión aproximada de 3 km2. La altura mínima es 2390 m.s.n.m. y la máxima 2535 m.s.n.m. En la Figura 1 se presenta el mapa topográfico. Adicionalmente, como se muestra en el mapa de pendientes (Figura 2), estas varían entre

0 y 85°, y la inclinación de la mayoría de los taludes del área está entre 0 y 30°, lo cual indica que las pendientes son bajas.

4 Análisis de Estabilidad

En esta sección se presentará una explicación detallada de las tres metodologías empleadas para analizar el área de interés, y los resultados correspondientes.

4.1 Revisión de información existente

En el “Plan de Acción para la Atención y Mitigación de la Emergencia Invernal en la Jurisdicción de Corantioquia”, preparado por la Corporación Regional del Centro de Antioquia en Marzo del 2011, se presenta un mapa de amenaza por movimientos en masa e inundaciones del área de estudio. (Figura 3)

Figura 3 Mapa de amenazas por movimientos en masa e inundaciones de la Jurisdicción de CORANTIOQUIA. Fuente: Corporación Autónoma Regional del Centro de Antioquia (2011).

El mapa de amenazas fue desarrollado por dicha Corporación a partir de datos tomados en campo y análisis de fotografías aéreas. Se consideraron parámetros como la pendiente, longitud y forma de las vertientes. Adicionalmente, se registró el tipo de deslizamiento, la densidad y el grado de actividad de cada deslizamiento mapeado.

Muy alta por movimientos en masa

AMENAZAS NATURALES

LEYENDA

Alta por movimientos en masa Media por movimientos en masa Baja por movimientos en masa Muy Baja por movimientos en masa Alta por inundación lenta Media por inundación lenta Media inundación lenta – Media movimientos en masa Río

Los factores principales de la clasificación del grado de amenaza de la zona fueron las características de las unidades geomorfológicas (pendiente) y el número de deslizamientos identificados en campo.

De acuerdo al mapa de amenazas, el área de estudio se encuentra en un área de amenaza baja por movimiento en masa, esto sugiere que presenta pendientes bajas y un reducido número de deslizamientos mapeados.

4.2 Código Uniandes

El código Uniandes fue desarrollado por el Grupo de Investigación en Estructuras y Geotecnia – GIEC de la Universidad de Los Andes para evaluar la probabilidad de falla en áreas de interés. Para esto, realiza simulaciones de Montecarlo y a cada una de estas le asigna un Margen de Seguridad utilizando el Método de Talud Infinito.

4.2.1 Metodología

El programa divide el modelo topográfico en nodos de evaluación, y para cada uno calcula la magnitud de los esfuerzos actuantes y resistentes. De esta forma, a partir de algunos datos de entrada como la pendiente, el espesor del suelo y ciertas propiedades mecánicas, se determina el margen de seguridad en cada nodo del sistema.

Para obtener la probabilidad de falla de deslizamiento con superficie plana se calcula el margen de seguridad de cada nodo utilizando las Ecuaciones 1, 2 y 3 (Figura 4).

Ecuación 1

( )

Ecuación 2

Ecuación 3

.

Figura 4 Esquema de metodología

Donde:

son los esfuerzos resistentes en la superficie de falla (Pa),

son los esfuerzos actuantes en la superficie de falla (Pa),

MS es el margen de seguridad (-)

es la cohesión (Pa), es el peso unitario (N/m3), es el espesor del suelo (m),

es la profundidad del nivel freático (m),

es el peso unitario del agua (N/m3),

es la pendiente promedio del terreno en el nodo (°), es el ángulo de fricción (°)

Suelo

Roca

h hw

4.2.2 Datos de Entrada

Para iniciar las simulaciones es necesario contar con los siguientes datos de entrada:

 Mapa topográfico, mapa de suelos y mapa de nivel freático en formato ráster.

 Número de simulaciones

 Número de filas y columnas del archivo ráster.

 Tamaño de celda del archivo ráster.

 Espesor límite: si en un punto determinado el espesor de suelo es mayor al espesor límite, el programa calculará el factor de seguridad asumiendo que la superficie de falla es circular.

 Número de suelos

 Número de subtipos de suelo: en cada una de las simulaciones, el programa asigna a nodos aleatorios un subtipo de suelo a partir del coeficiente de variación y la media de cada propiedad.

 Definición del espesor de los nodos: puede ser a partir de un archivo ráster, en función de la pendiente o una variable aleatoria uniforme.

 Cohesión

 Coeficiente de variación de cohesión

 Ángulo de fricción

 Coeficiente de variación de la tangente del ángulo de fricción

 Peso unitario

 Coeficiente de variación del peso unitario En la

Tabla 1 se presentan los datos de entrada utilizados en la simulación.

Tabla 1 Datos de entrada Código Uniandes

Dato de entrada Unidades Valor

Número de columnas - 1,356 Número de Filas - 4,072

Tamaño de celda m 0.74

Número de suelos - 1

Número de subtipos de

suelo - 5

Cohesión kPa 40

Coeficiente de variación

de la cohesión % 40

Ángulo de fricción ° 30 Coeficiente de variación

de la tangente del ángulo de fricción

% 10

Peso unitario kN/m3 18 Coeficiente de variación

del peso unitario % 3

Adicionalmente, se definió que el espesor de la capa de suelo en el área de estudio será 5m, y el nivel freático estará a 2.5 m de la superficie.

4.2.3 Resultados

Como se mencionó anteriormente, en cada simulación el programa estima las propiedades de 5 subtipos de suelo a partir de la media de la cohesión, el peso unitario y el ángulo de fricción, y las variaciones correspondientes.

En la Figura 5 se presentan los valores de cohesión asignados por el programa en una de las simulaciones. La línea punteada indica la media de la propiedad. De manera similar, se presentan en la Figura 6 y Figura 7 para el peso unitario del suelo y la tangente del ángulo de fricción.

Figura 5 Valores de cohesión de 5 subtipos de suelo

Figura 6 Valores de peso unitario de 5 subtipos de suelo

30 35 40 45 50 55 60 65

1 2 3 4 5

C o h e si ó n ( kP a)

Subtipo de suelo

Ejemplo simulación 16 16,5 17 17,5 18 18,5 19 19,5 20

1 2 3 4 5

P e so u n it ar io ( kN /m 3 )

Subtipo de suelo

Figura 7 Valores de tangente del ángulo de fricción de 5 subtipos de suelo

Los resultados de la simulación se presentan en la Figura 8. Adicionalmente, en la Tabla 2 se resumen los porcentajes de área para cada rango de probabilidad de falla.

Tabla 2 Resultados Código Uniandes

Área (%) Probabilidad de falla 0-0.1 Probabilidad de falla 0.1-0.2 Probabilidad de falla 0.2-0.31

79.1 14.4 6.5

0,52 0,54 0,56 0,58 0,6 0,62 0,64 0,66 0,68 0,7

1 2 3 4 5

Ta n ge n te d e l án gu lo d e f ri cc ió n ( -)

Subtipo de suelo Ejemplo simulación

4.3 Análisis de estabilidad en ArcMap

4.3.1 Metodología

Para realizar los mapas de amenaza se utilizó el Método de Talud Infinito, en el que se asume que la relación entre la longitud y el espesor del deslizamiento es muy alta, el suelo es isotrópico y homogéneo y la superficie de falla es paralela al talud (Ecuaciones 1 y 2).

Ecuación 1

[ ( )] ( )

Ecuación 2

Donde:

F es el factor de seguridad,

es la inclinación del talud en grados, es la relación de presión de poros, es el ángulo de fricción en grados,

es la cohesión en Pa,

es el peso unitario del suelo en N/m3,

es la profundidad de la superficie de falla en m, es el peso unitario del agua en N/m3,

4.3.2 Datos de entrada

En la Tabla 3 Datos de entrada ArcMap se presentan los datos de entrada para en el análisis en ArcMap.

Tabla 3 Datos de entrada ArcMap

Dato de entrada Unidades Valor

Ángulo de Fricción ° 30

Cohesión kPa 40

Peso unitario del suelo N/m3 18 Profundidad de la

superficie de falla m 5 Altura del nivel freático m 2,5

4.3.3 Resultados

En la Figura9 se presentan los resultados de la modelación en ArcMap. Además, en la

Tabla 4 se resumen los porcentajes de área de cada rango de factor de seguridad.

Tabla 4 Resultados metodología ArcMap

Área (%)

FS>1.3 1.3>FS>1 FS<1

Figura9 Resultados ArcMap

Factor de seguridad

>1.3

1.3 - 1.0

<1.0

5 Ventajas y desventajas de los métodos

5.1 Revisión de información existente

El estudio de mapas de amenaza existentes e información disponible es una herramienta rápida y sencilla para estimar el nivel de amenaza general de la zona. De esta forma, basado en reconocimientos de campo y estudios realizados anteriormente, se puede estimar cuál puede ser la susceptibilidad a deslizamiento de un área de interés.

Sin embargo, este método no ofrece información suficiente para realizar análisis avanzados. En este caso, el nivel de detalle fue muy bajo y no permitió realizar distinción entre zonas específicas del área de interés. Por esta razón, la revisión de información existente debe ser considerada como un paso preliminar en el análisis de estabilidad de la zona, sólo para tener una idea general del rango de amenaza.

5.2 Código Uniandes

Los mapas obtenidos a partir del código desarrollado por la Universidad de Los Andes tienen un nivel de detalle alto. El programa permite realizar distinciones entre zonas específicas del área general. Adicionalmente, modela las variables con funciones probabilísticas lo cual permite considerar niveles de variación en las propiedades geotécnicas del suelo, y ajustar el modelo al comportamiento real de los materiales.

La calidad de los resultados depende de la precisión de las variables de entrada. Sin embargo, algunos inputs como los mapas de suelo y nivel freático requieren de procesamiento preliminar de resultados de exploraciones geotécnicas, muestreos, perforaciones y/o información piezométrica, por lo que representa una mayor inversión de tiempo y dinero. En algunos de los casos no es posible contar con esta información, por lo que la simplificación del modelo puede afectar considerablemente la precisión de los resultados.

5.3 Análisis de estabilidad en ArcMap

El análisis realizado en ArcMap es una alternativa fácil y rápida para estudiar el nivel de amenaza en un área de interés. Permite obtener el mismo nivel de detalle que el código

Uniandes, por lo que es posible realizar distinciones entre la amenaza en diferentes puntos del mapa.

Una desventaja de esta metodología es que sólo considera un tipo de suelo determinado y un valor constante de espesor de suelo y profundidad del nivel freático. A diferencia del código Uniandes, este análisis no considera funciones probabilísticas para las propiedades del suelo, por lo que la calidad de los resultados puede ser más baja.

6 Comparación de resultados

A partir de los resultados obtenidos es posible identificar ciertas áreas potencialmente inestables. Como se puede observar en la Figura 10 los mapas obtenidos mediante las simulaciones del Código Uniandes y el método ArcMap señalan áreas críticas similares.

De acuerdo a los porcentajes de área presentados en la sección anterior, aproximadamente el 93.5% tiene una probabilidad de deslizamiento entre 0.1 y 0.2, y el 90% tiene un factor de seguridad mayor a 1.3. Esto indica que el área de interés posee un bajo potencial de deslizamiento.

De la misma forma, el mapa de amenaza realizado por la Jurisdicción de CORANTIOQUIA coincide con los resultados obtenidos en los análisis en ArcMap y las simulaciones del código pues el área de estudio corresponde a una zona de amenaza baja por movimiento en masa.

En la Figura 11 se presenta un detalle del mapa realizado en ArcMap (izquierda) y el mapa del código Uniandes (derecha). De acuerdo a estos resultados, el detalle presentado tiene una mayor susceptibilidad a deslizamiento que el resto del área pues predominan taludes con factor de seguridad entre 1.3 y 1.0, y probabilidad de falla entre 0.2 y 0.3. No es posible afirmar que el área señalada sea inestable o requiera intervención, sin embargo, estos resultados proporcionan una idea de la ubicación de posibles las zonas inestables dentro del área de interés.

Figura 10 Comparación de resultados

Estas herramientas no reemplazan estudios detallados de estabilidad. Por el contrario, aportan información preliminar sobre el rango de susceptibilidad que podría tener el área. De esta forma, se recomienda su aplicación antes de realizar reconocimientos de campo para saber cuáles son aquéllas áreas que probablemente necesiten mayor consideración durante la visita.

Factor de seguridad Probabilidad de falla

>1.3 1.3 - 1.0 <1.0

0 – 0.1 0.1 – 0.2 0.2 – 0.31

Figura 11 Detalle de zona de estudio

7 Conclusiones

 Tres criterios fueron utilizados para analizar la amenaza a deslizamiento del área de estudio, y se obtuvo que el 90% del área presenta un factor de seguridad mayor a 1.3, más del 90% tiene una probabilidad de falla entre 0.1 y 0.2 y a partir de mapeos en campo y estudio de las unidades geomorfológicas se concluyó que el área tiene amenaza baja a movimientos en masa. Por estas razones, es posible afirmar que la amenaza del área es baja.

 Los métodos presentados son herramientas de análisis preliminar pues permiten identificar posibles zonas críticas. No se recomienda utilizar los resultados para diseños o estudios detallados.

 A partir de información básica como propiedades geotécnicas, el levantamiento topográfico y profundidad aproximada de nivel freático es posible realizar una evaluación general de áreas de estudio.

Factor de seguridad

>1.3 1.3 - 1.0 <1.0

Probabilidad de falla

0 – 0.1 0.1 – 0.2 0.2 – 0.31

 Las metodologías presentadas son excelentes alternativas para el estudio de áreas de difícil acceso, desarrollo de etapas preliminares de proyectos o como criterio para la selección de ubicación de instalaciones. Además, son herramientas sencillas y de bajo costo.

8 Referencias

 Corporación Autónoma Regional del Centro de Antioquia (2011). Plan de Acción para la atención y mitigación de la emergencia invernal en la jurisdicción de CORANTIOQUIA, Pág. 11. Recuperado el 20 de noviembre de 2013, del sitio Web de CORANTIOQUIA:

http://nuevoportal.corantioquia.gov.co/Politicas/Documents/PAAME%20Cora

ntioquia-FINAL.pdf

 Duncan, J. Michael & Wright, Stephen G. (Stephen Gailord), 1943- (2005). Soil strength

and slope stability. John Wiley & Sons, Hoboken, N.J

 Suárez, Jaime (2009). Deslizamientos: Análisis geotécnico (Volumen 1). Santander, Colombia: U. Industrial de Santander.

 Spencer, E. (1967). A Method of analysis of the Stability of Embankments Assuming Parallel Inter-Slice Forces. Géotechnique. 17(1).