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Factores causantes de avalanchas y sistemas estructurales para su control

Ing. Manuel García López Presidente de la Seccional Colombia de la ASCE

SOCIEDAD COLOMBIANA DE INGENIEROS

La presente conferencia es una contribución de la ASCE Seccional Colombia a la Sociedad Colombiana de Ingenieros, en sus XVII Jornadas Geotécnicas y XX Jornadas Estructurales.

Bogotá 13 de abril de 2018.

INTRODUCCIÓN

Figura No. 1 Localización de la zona de estudio en la Plancha Geológica 343 – “Silvia” (extracto).

Fotografía 1. Vista general del área con problemas de inestabilidad de taludes, desde un punto de aproximación al sur de la misma.

• A. Puente.

• B-B’. Zona en estudio, de unos 3,5 km de lon-gitud a lo largo de la carretera. está inten-samente brecha-da por fallamiento geo-lógico.

• C. Se observa una casa construida sobre un coluvión en flujo de tierras muy lento.

(11 de mayo de 2016). Nótese que los pro-cesos intensos de carcavamiento arriba del puente se extien-den hasta la divisoria de aguas de la mon-taña.

B

‘

Fotografía 2. Distribución de las unidades geológicas existentes en el sector del estudio

• A. Esquistos grafitosos.

• B. Lavas andesíticas.

• C. Depósitos vulcano-sedimentarios y suelos residuales.

• D. Coluviones.

• E. Rellenos antrópicos.

Mecanismo de falla de taludes por sobre-empinamiento.

Fotografía 3. Socavación intensa, deslizamientos y flujos de detritos en las márgenes de la quebrada por arrastre y sobre-empinamiento de márgenes debido a las avalanchas.

Fotografía 5. Deslizamientos, flujos de detritos y de lodos en la zona vecina, aguas arriba del puente.

• A. Zona inferior de la cuenca de la quebrada.

• B. Deslizamiento múltiple retrogresivo de gran magnitud, del cual se aportan materiales a la quebrada y al tramo de carretera vecino al puente.

• C.Flujos de detritos y de lodos en las márgenes de la quebrada principal y uno de sus afluentes. Los suelos y rocas meteorizadas prove-nientes de estos pro-cesos acrecientan el volumen de las ava-lanchas que vienen desde ladera arriba.

C

C

C

C

C

Fotografia 6. Instante de caída de avalancha de volumen relativamente pequeño en el sector inmediato aguas arriba del puente.

Notar el tamaño de los bloques rocosos mayores (dimensiones de 1.5 a 3.0 m), lo cual ayuda a proporcionar a las avalanchas su muy alta capaci-dad de impacto, arrastre y cubri-miento de ele-mentos en riesgo.

Fotografías 7 y 8. Avalanchas en quebradas vecinas a la principal.

A la izquierda cauce de la quebrada arriba de la carretera. Notar restos de estructura de contención. A la derecha cauce afectado por avalanchas ladera debajo de la carretera; observar restos de cabezotes de alcantarilla.

Fotografías 7,8 y 9. Avalanchas en quebradas vecinas a la principal.

A. Ladera arriba de la vía.

B. Ladera abajo de la vía.

C. Volúmenes importantes de las avalanchas, fluyen carretera abajo hacia el puente.

A B

C

Fotografías 10 y 11. Sobrecarga de gran magnitud del puente por avalanchas que fluyeron por la vía.

J

Fotografías 12 y13. Efectos del paso de avalanchas sobre el sistema de cimentación del puente.

Tablas 1 y 2. Características de flujos de detritos y avalanchas.

Desde el punto de vista geomorfológico, un problema de inestabilidad del terreno tan complejo como el que fue objeto del estudio, puede enfocarse como un sistema físico que evoluciona dentro de una variedad de tipos de equilibrio asociados con patrones o tendencias de comportamiento. En el caso bajo estudio puede decirse que la ladera completa en la zona en que se halla el puente, constituye un sistema que vamos a denominar “Sistema de la quebrada principal”, el cual consideramos que se encuentra en un estado en el cual predominan condiciones de equilibrio inestable y de equilibrio metaestable.

CONCLUSIONES

SISTEMAS Y SUBSISTEMAS GEOMORFOLÓGICOS

En la condición de equilibrio inestable la tendencia de una variable dada a responder a una perturbación del sistema se manifiesta mediante el ajuste a un nuevo valor. En la condición de equilibrio metaestable, existe una combinación de equilibrio estable e inestable, excepto que la variable considerada adquiere un nuevo valor solamente hasta después de haber superado un valor crítico o “umbral”; de lo contrario regresará a su valor original. En términos geotécnicos esa variable (o variables) bien puede ser la resistencia al corte o al deslizamiento de suelos y rocas, la densidad en sectores de los coluviones, la erosionabilidad, etc.

Dado el comportamiento complejo del Sistema de la quebrada principal, es muy conveniente analizar su comportamiento examinando o analizando el de los subsistemas que lo integran.

En este caso podría considerarse la parte superior de la ladera, comprendida entre la carretera y la cima de la montaña como un primer subsistema.

Las características generales del primer subsistema: pendiente abrupta a empinada (como ya se mencionó), abundancia de roca intensamente meteorizada, cauces de fuerte incisión y con alta pendiente longitudinal, sometido a procesos degradacionales que ya se han explicado y del cual provienen las avalanchas.

Para localización más precisa de los sectores en que ocurren los diversos eventos, y la definición de las medidas remediales (preventivas y correctivas, o de control) de flujos de detritos, de lodos y avalanchas, conviene subdividir el área en la cual ocurre y se desarrolla cada evento en las zonas mostradas en la figura siguiente:

Primer Subsistema

• El segundo subsistema corresponde a la carretera y sus elementos estructurales complementarios tales como el puente, alcantarillas, muros de contención, etc. y podría denominarse también un subsistema antrópico. Este subsistema recibe fuerte influencia en su estabilidad del primer subsistema, y a la vez influye en el comportamiento del primero y el tercero por razón de las excavaciones de cortes y los rellenos o terraplenes construidos, y mediante los cambios comunes en el patrón de drenaje superficial de la ladera que impone la concentración de la escorrentía en las alcantarillas, para citar solo unos pocos factores.

Segundo Subsistema

• La parte inferior de la ladera, comprendida entre la carretera y el cauce del río Sucio que drena la región, se designa como el tercer subsistema. Presenta pendiente más suave y predominio de depósitos de ladera, tales como coluviones y antiguos flujos de tierra y de detritos, así como rellenos antrópicos.

• La quebrada principal es el conector de los 3 subsistemas; influye en el comportamiento de éstos y también recibe la influencia de los mismos.

Tercer Subsistema

Fotografía 4. Sistema geomorfológico de la quebrada en estudio.

• Las medidas remediales que se pueden plantear se adecúan a cada uno de los 3 Subsistemas Geomorfológicos, y a cada una de las zonas en que puede tratarse un evento de flujo de lodos o de avalancha que ocurra en el Primer Subsistema, obedeciendo al proceso predominante en ellas. En la tabla siguiente se presenta un resumen de las obras acostumbradas en nuestro medio.

PLANTEAMIENTO GENERAL DE MEDIDAS REMEDIALES Y PREVENTIVAS

• De gran interés desde el punto de vista del estudio de amenazas de origen natural, es el caso de avalanchas y flujos de lodo que se originan en la rotura de represas causadas por la irrupción de deslizamientos, flujos de tierra y caídas de roca en los cauces y valles de montaña. Se bloquean las corrientes de agua, y algún tiempo más tarde, la energía adquirida en función del volumen del embalse puede alcanzar la magnitud suficiente para romper la presa (dique o tambre) y desencadenar la avalancha.

• En Colombia se ha registrado un alto número de eventos de este tipo, por lo general con terribles consecuencias, entre ellos las ocurridas en Mocoa, el 1 de abril de 2017.

2. REPRESAS CAUSADAS POR DESLIZAMIENTOS O REPRESAS NATURALES

Clasificación de represas

naturales. (Modificada de

Costa y Schuster, 1988 por

M. García L. 1990).

NOTA:

Los Tipos I a VI son los

propuestos originalmente por

Costa y Schuster (1988).

El Tipo VII fue adicionado por M.

García (1990).

CLASIFICACIÓN DE REPRESAS NATURALES

Represa Tipo I

Represa Tipo II

Represa Tipo III

Represa Tipo IV

Represa Tipo V

Represa Tipo VI

Represa Tipo VII

CASO DE MOCOA, PUTUMAYO

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Río Mocoa

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Representación simplificada del sistema fluvial (R. Charlton, 2009)

CLIMA

AC

TIV

IDA

D

AN

TRÓ

PIC

A

TEC

TÓN

ICA

NIVEL DEL LECHO

Geología

Topografía

Suelos & Vegetación

Sistema de Laderas

Sistema de canal-llanura de inundación

Régimen de flujo

Régimen de sedimentación

Frontera del sistema fluvial

ASPECTOS GEOMORFOLÓGICOS

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VARIABLES INTERNAS QUE CONTROLAN EL SISTEMA

• Densidad de drenaje • Ángulo de pendiente del cauce • Tipos de suelo o roca • Patrón de drenaje • Profundidad del cauce

• Este sistema lo compone cauces, laderas y zonas planas de depósito o sedimentación.

• La forma de cada componente está relacionada con la forma de otras componentes del sistema, por ejemplo, si los cauces de las cabeceras de una cuenca están cercanamente espaciados, las laderas que forman las divisorias serán más empinadas que si las corrientes estuvieran más apartadas entre sí.

• Se refiere a las fuerzas internas que deforman la corteza terrestre. Estas fuerzas pueden llevar a levantamiento de las montañas (orogenia), fallamiento, pandeo y fracturación de las rocas.

• Algunas de las tasas más altas de producción de sedimentos en el mundo están asociadas con áreas de elevación tectónica y fallamiento

• Las pendientes del valle se alteran por fallas y elevación localizada, que a su vez puede afectar el patrón del cauce.

Tectónica

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Bocatoma en el río Mulato y PTAP

Mocoa

BOCATOMA

PTAP

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BOCATOMA

PTAP Mocoa

Bocatoma R. Mulato y PTAP

47

Deslizamientos y flujos de detritos y de lodos en las partes media y alta de la microcuenca de la Qda. La Taruca, los cuales pudieron formar presas naturales cuya rotura originó la avalancha de dicha quebrada, la cual causó el mayor número de víctimas y de daños en la ciudad.

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Deslizamientos y flujos de detritos y de lodos en la microcuenca de la Qda. Sangoyaco, la cual entrega a La Taruca en la parte alta de Mocoa. Los casos mostrados pudieron formar presas naturales cuya rotura originó avalanchas que se sumaron a las acarreadas directamente por La Taruca.

.

Cauce de La Taruca al desencañonarse en la parte alta de Mocoa

Panorámica del sector del ápice del abanico de Mocoa, en el cual la avalancha de la Qda. La Taruca destruyó el barrio San Miguel entre otros.

51

. Sector de confluencia de las

quebradas Sangoyaco (a la izquierda) y La Taruca (en diagonal descendente).

Observar el alto número de viviendas destruidas. En el círculo existe un estrechamiento del cauce algo encañonado de la Qda. La Taruca, en el cual se represaron los bloques rocosos de mayor tamaño de la avalancha, como se muestra en las diapositivas 116 a 122.

En el sector inmediatamente aguas abajo de dicho punto continuaron tamaños menores

52

Zona afectada, barrio El Progreso.

53

Qda. La Taruca en el sector de La Independencia, cercano a su desembocadura en el río Mocoa. El trazo curvilíneo de la margen derecha corresponde a un muro de contención de concreto reforzado construido para protección contra inundaciones “normales”, el cual fue sobrepasado por la avalancha, destruyendo varias casas ribereñas. El barrio de la zona en el círculo fue completamente destruido.

54

Grandes rocas acumuladas en el sector

del barrio San Miguel.

.

Destrucción total o parcial de viviendas en la zona alta de Mocoa

57

Influencia de un estrecho del cauce de la Quebrada Taruca en el represamiento de grandes bloques rocosos.

58

Zona de aguas arriba del estrecho de La Taruca aledaña a la margen izquierda de la misma.

59


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61

Sitio del estrechamiento de la Quebrada La Taruca. A la derecha los grandes bloques rocosos retenidos; a la izquierda la continuación del tramo encañonado de la quebrada aguas abajo del estrecho. Los bloques encerrados en el óvalo rojo permiten vincular las dos fotografías.

62

Vista del estrecho hacia aguas arriba a la derecha, y hacia aguas abajo a la izquierda. Notar la disminución de tamaños de rocas aguas abajo. Este efecto de la topografía del cauce tiene importancia en el estudio de obras de control de avalanchas.

G. H. EISBACHER AND J. J. CLAGUE

(1984). GEOLOGICAL SURVEY OF

CANADA.

4. OBRAS DE CONTROL DE FLUJOS Y AVALANCHAS DE DETRITOS

Presa abierta de doble pilar y gran viga de arriostramiento a estribos, para retención de grandes bloques rocosos y disipación de energía. Tomado de G. FIEBIGER (1997)

64

• Presa abierta de concreto reforzado, para retención de grandes bloques rocosos y disipación de energía. Tomado de G. FIEBIGER (1997).

65

• Presa abierta de concreto reforzado, con sistema de rejillas con vigas de acero y vertedero de fondo. Tomado de G. FIEBIGER (1997).

66

• Fotografía 5.13. Presa abierta con estribos y elementos verticales de concreto de gran altura (notar el automóvil de la derecha) y alta resistencia al impacto de rocas de tamaños mayores.

• Fotografía 5.7. Estructura dentada de concreto reforzado, de altura moderada, cuya función es la de servir como trampa para troncos y ramas acarreados por la avenida torrencial, y a la vez retención de materiales rocosos de tamaños grandes e intermedios. (Tomado de G. FIEBIGER, 1997).

68

• Fotografía 5.11. Presa abierta con estribos masivos de concreto y elementos metálicos con piedeamigos, de alta resistencia a impactos.

• Fotografía 5.9. Serie de presas de concreto (“Check Dams”) de sección robusta, con vertederos, para reducción de energía, fijación de fondo del cauce transportador de la avenida torrencial y depósito temporal de gruesos.

• Fotografía 5.10. Serie de presas de concreto (“Check Dams”) de sección robusta, con vertederos, para reducción de energía, fijación de fondo del cauce y depósito temporal de gruesos, después del paso de una avenida torrencial.

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• Fotografía 5.12. Presa convencional doble de concreto reforzado (con dique y contradique) después del paso de una avalancha.

Presas abiertas con rejilla de elementos metálicos de alta resistencia al impacto y cubrimiento.

73

• Fotografías 5.5 y 5.6. Presas abiertas con rejilla de elementos metálicos de resistencia media al impacto y cubrimiento. (Experiencias en el Japón y la India).

74

• Fotografía 5.8 a. Sistema de conducción de flujos de lodo disparados por las fuertes lluvias en los periodos monzónicos, Volcán Sakurajima en la isla del mismo nombre, Japón. Observar la serie de canales de encauzamiento con conjuntos de presas como las mostradas en las fotografías 5.9 y 5.10; el canal indicado con la letra A desvía materiales gruesos para su aprovechamiento en zonas de almacenamiento temporal como la mostrada en la fotografía 5.8 b.

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• Fotografía 5.8 b. Zona de almacenamiento temporal de depósitos de avalanchas, en la cual los materiales de buena calidad son procesados para su utilización en obras de Ingeniería (Kumamoto, Japón).

CONCLUSIONES

1. El estudio sistemático de estos procesos debe abarcar la determinación de los siguientes aspectos del problema:

a) Susceptibilidad de los valles de montaña (cauces encañonados) a la ocurrencia de deslizamientos y al represamiento.

b) Relaciones entre los tipos de deslizamientos y las características de las represas que pueden formar.

c) Correlación entre las características de la represa, el río y el embalse, con la estabilidad y longevidad de la represa.

d) Mecanismos de falla de taludes.

e) Carácter o posibilidad de predecir la inundación aguas arriba de la represa y la avalancha aguas abajo de la misma.

f) Efectos secundarios de la inundación aguas arriba.

g) Implantación de sistemas de alarma, preparación de la comunidad y protección de las obras de infraestructura.

• I. MODIFICACIÓN DE FLUJO Y CAUDAL

• 1. Tratamiento de la hoya tributaria:

a)Control de escorrentía b)Retención de aguas lluvias c)Retardo de la infiltración d)Conservación de las funciones retardantes en la hoya e)Reforestación f) Control de cárcavas g)Obras preventivas de erosión y deslizamiento h)Corrección de deslizamientos i) Desembalse controlado en taponamientos

ALTERNATIVAS PARA LA MITIGACIÓN DE RIESGOS POR INUNDACIÓN EN CRECIENTES EXTRA-ORDINARIAS Y AVALANCHAS

78 M. García L. IGL-UN-ECI

• I. MODIFICACIÓN DE FLUJO Y CAUDAL

• 2. Obras de protección:

a)Diques y jarillones

b)Mejoramiento de canales (rectificación y ampliación)

c) Desvíos

d)Muros de encauzamiento

e)Barreras y trinchos

f) Trampas de sedimentos



• II. MODIFICACIÓN DEL DAÑO POTENCIAL

• 1. Regulación y ajuste del uso de la tierra:

a)Regulación del uso de la tierra

b)Regulación del desarrollo urbano

c) Códigos de construcción

d)Compra de tierras y propiedades por el gobierno



• II. MODIFICACIÓN DEL DAÑO POTENCIAL

• 2. Adecuación de las construcciones:

a)Cierre permanente de aberturas de baja altura

b)Rellenos

c) Cierre de válvulas de conductos de desagüe y alcantarillados

d)Interiores a prueba de agua

e)Estructuras reforzadas contra grandes impactos y presiones

f) Construcciones elevadas.



• III. MODIFICACIÓN DE LA AMENAZA

• 1. Sobre el medio físico:

a)Evaluación de estabilidad de laderas

b)Delimitación de zonas potencialmente inestables

c) Pronóstico de inundaciones

d)Lucha con la inundación

e)Elaboración de mapas de amenazas



• III. MODIFICACIÓN DE LA AMENAZA

• 2. En relación con los habitantes:

a)Acciones de emergencia y reprogramación b)Información a la comunidad c)Preparación de la comunidad d)Planes de evacuación e)Alivio de desastres f) Reprogramación de operaciones g)Ayudas gubernamentales h)Seguros contra inundación i) Exención de impuestos

• NOTA: PUEDE OPTARSE POR LA INACCIÓN, QUE LLEVARÍA A LA SOLUCIÓN

SIMPLE DE SUFRIR LAS CONSECUENCIAS DEL EVENTO.


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Bibliografía

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El autor agradece a los Auxiliares de Ingeniería de la firma Ingeniería y Geotecnia S.A.S. de Bogotá, Brayan A. Pardo M. y Mateo González A., estudiantes de Ingeniería Civil de la Universidad Nacional de Colombia, y al Ing. Yordy Plazas , Ingeniero Civil de la compañía ya mencionada, por su valiosa ayuda en la edición de esta conferencia.

• Bogotá, 13 de abril de 2018.

AGRADECIMIENTOS

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