domingo, 19 de octubre de 2008
jueves, 2 de octubre de 2008
Método de la Velocidad Inversa para predecir el Tiempo de Falla en Taludes
Este método lo aplicaré para realizar mis experimentos, del cual podré obtener un rango de deformación de advertencia para la grava de Lima, aplicable también a los acantilados de la Costa Verde... Espero lo disfruten, ah!!! y pregunten nomaaaaaaaaaaa...
Método de la Velocidad Inversa para predecir el Tiempo de Falla en Taludes
Marco Rubén Yalle Barrios, Bach. Ing. Civil
Sinopsis: El método de la Velocidad Inversa desarrollada por Teruki Fukuzono da una fácil y aplicativa manera predecir cuándo será el tiempo de falla de un talud. Este método ha sido aplicado con éxito en la predicción de deslizamiento en taludes de minería a tajo abierto, basándose en la información de monitoreo geotécnico recopilada de prismas y extensómetros. El propósito de este artículo es dar a conocer el método de la Velocidad Inversa, mostrando un caso real de aplicación.
Palabras Clave: Velocidad Inversa; Umbral de advertencia; Prismas; Extensómetros.
Introducción
El método de la Velocidad Inversa, desarrollada por Fukuzono (A new method for predicting the failure time of a slope, 1985), es una herramienta útil para predecir el tiempo de falla de un talud; este método fue desarrollado en base a ensayos de laboratorio hace más de 20 años, que simuló potenciales deslizamientos de taludes inducidos por lluvia, obteniendo finalmente una relación entre la rapidez de deformación, la velocidad inversa de la misma y el tiempo de falla. Además, un retro-análisis de la información histórica de otras fallas de taludes también han dado una predicción razonable usando la velocidad inversa. Este método se puede aplicar de forma preventiva y actuar cuando la data registrada presente un comportamiento de advertencia.
Objetivos
Explicar la metodología de la Velocidad Inversa para la predicción del tiempo de falla en taludes.
Antecedentes
El concepto de la Velocidad Inversa para predecir el tiempo de falla de taludes fue desarrollado por Fukuzono, basado en ensayos de laboratorio a gran escala que simularon potenciales deslizamientos inducidos por lluvia en taludes de diversos ángulos.
Kilburn y Petley (Forecasting giant, catastrophic slope collapse: lessons from Vajont, Northern Italy, 2003) presentan un retro-análisis de movimientos horizontales de talud registrados antes del colapso del reservorio de Vajont (Italia) en Octubre de 1963. Regresiones lineales de la información de la velocidad inversa dan un coeficiente de correlación R2 de 99% en una data de 60 días antes del evento, este es un claro ejemplo donde el uso de la velocidad inversa pudo haber sido exitoso en evitar un posible desastre.
Resumen del Experimento de Teruki Fukuzono
En el laboratorio, Fukuzono hizo dos modelos a escala casi real, un modelo estuvo conformado por un suelo arenoso y el otro por uno limoso. Tanto el talud como los parámetros del suelo fueron monitoreados desde el estado estable hasta la falla final.
Cada modelo tiene una superficie de terreno paralela al borde impermeable inferior y ambos lados fueron limitados por paredes de acero.
La altura del talud y ancho fueron 5 y 4m, respectivamente. La capa de suelo fue cualquier suelo limoso o arenoso, de espesor. Los ángulos de taludes fueron 30° y 40°. La intensidad de lluvia artificial fue mantenida en 15 y 20mm/h para taludes de suelo limoso y en 50mm/h para taludes de suelo arenoso hasta la falla a gran escala ocurrida (Figura 1).
Fig. 1: Se muestra la escala casi-real del experimento de Fukuzono. (Fuente: NIED)
El contenido de humedad, nivel de agua subterránea, presión de tierra, desplazamiento de la superficie del talud, y otros parámetros fueron continuamente medidos a lo largo del experimento. Los puntos de medición de estos parámetros son mostrados en las Figura 2.
Fig. 2: Perfil del modelo de talud 40°.
La evaluación de la información de laboratorio llevó hacia el reconocimiento que el logaritmo de la aceleración del desplazamiento superficial se incrementaba en proporción con el logaritmo de la velocidad superficial, resultando en aproximadamente correlaciones lineales en algunos casos.
Fig. 3: Ensayo de suelo a gran escala que muestra la falla inducida por lluvias. (Fuente: NIED)
Fig. 4: Velocidad Inversa vs. Tiempo. Observe la tendencia y el tiempo de falla.
Fukuzono presentó tres tipos de gráficas de la información de laboratorio (Cóncavo, convexo o lineal) obtenidas de la siguiente ecuación:
Donde A y α son constantes y tf es el tiempo de falla. En experimentos de laboratorio, α fue encontrado en el rango de 1.5 a 2.2. La curva de la velocidad inversa el lineal cuando α=2, cóncava cuando α<2 y convexa cuando α>2. Basado en los resultados del ensayo de laboratorio, Fukuzono concluyó que una tendencia lineal ajustada a través de la data de la velocidad da una razonable estimación del tiempo de falla (Figura 5).
Fig. 5: Velocidad Inversa vs. Tiempo. Gráficas cóncava, lineal y convexa.
Metodología de la Velocidad Inversa
La metodología descrita a continuación, es aplicable a taludes de minería, y para el caso de Lima, se podría aplicar para los acantilados de la Costa Verde.
Evaluación de la Información Velocidad Inversa y la Velocidad Predecida y Curvas de Desplazamiento
Instalar la instrumentación geotécnica tales como prismas y extensómetros (también pueden ser inclinómetros) y registrar su comportamiento.
Observar la variación de deformación en comparación a un registro base, usualmente el registro inicial.
Cuando la data procesada de la instrumentación está presentando variación de desplazamiento relativa, líneas de tendencia pueden ser ajustadas a través de valores de la velocidad inversa. La evaluación temprana de posibles tendencias de falla usualmente es mejor lograda visualmente.
Una vez que las líneas de tendencia son identificadas de la información de movimiento del talud, ecuaciones y coeficientes de regresión linales (R2) pueden ser determinados para un mejor ajuste de las líneas de tendencia. Una predicción del tiempo de falla puede ser lograda visualmente en las fechas donde la línea de tendencia intersecta el eje X o por poner la velocidad inversa igual a cero en la siguiente ecuación (asumir una tendencia lineal, α=2):
Donde t0 es el valor del tiempo de la fecha en días para el comienzo de la gráfica (punto en el cual la velocidad es V0), como se mostró en la figura 5. El tiempo de falla predecido puede ser calculado como sigue:
Una vez que la inclinación de la línea (A) y la intercepción en Y (1/V0) son conocidos, las velocidades predecidas pueden ser graficadas versus el tiempo tomando la inversa de la siguiente ecuación, tal que:
Por la integración de la ecuación anterior, los desplazamientos relativos predecidos pueden ser calculados como sigue:
Las curvas de la velocidad predecida y los desplazamientos relativos pueden ser comparados con la información de monitoreo actual del talud para determinar si la tendencia predecida se aproxima a los valores actuales en una base en curso, o si potenciales cambios en el comportamiento del talud pueden estar ocurriendo con el tiempo.
Selección de un Umbral de Advertencia en la Variación de Movimiento
En la selección de un apropiado umbral de advertencia para la variación de movimiento de un talud deberían tomarse en cuenta los siguientes factores:
La exactitud del sistema de monitoreo de taludes.
El nivel de entendimiento del mecanismo de falla del talud.
El comportamiento potencial de una falla de talud si este fuera a ocurrir (p.e. desplazamiento tipo lento en comparación con una falla rápida quebradiza).
El potencial o capacidad para mitigar los movimientos de talud con medidas de remediación (p.e. butress, descarga del talud, instalación de drenes horizontales o pozos, etc.).
El tiempo requerido para ejecutar las medidas de remediación.
El tiempo requerido para la evacuación segura del personal y remover equipos o infraestructura.
La flexibilidad a largo plazo más grande es lograda con un umbral de velocidad de movimiento que sea lo suficientemente bajo para que las medidas de remediación sean implementadas sin peligro antes de una deterioración significante en las condiciones del talud. Retrazos en la planificación de minado puede ser implementados para determinar si los desplazamientos de talud son regresigvos (exhibiendo decelaración post-minado) o son progresivos hacia la falla. Análisis de estabilidad pueden realizarse con la finalidad de determinar la manera más efectiva de remediación, o alguna combinación de ellas (p.e., descarga de cresta versus butress, y/o despresurización del agua subterránea) que puede ser requeridos para mitigar posibles fallas de talud.
Estimados del tiempo requerido para realizar medidas de remediación deberían ser desarrollados para determinar los apropiados umbrales de velocidad de movimiento de talud. Un margen de seguridad debería ser incluído para reflejar la incertidumbres en el comportamiento potencial del talud.
Si es posible, medidas de remediación debería ser consideradas al menos un mes antes de una potencial falla, para dar una máxima flexibilidad y seguridad. En ese punto, el monitoreo de talud debería ser llevado a cabo al menos diariamente. Antes de implementar medidas de remediación, retrasos en las actividades de minado deberían ser consideradas a ensayar si la respuesta regresiva es lograda, o si movimientos en el talud siguen acelerados. Potenciales influencias de precipitación, recarga del agua subterránea y voladura debería ser incluído en estas evaluaciones. Minado y actividades de remediación deberías ser discontinuadas al menos una semana antes de la falla. Si otros potenciales peligros, tales como crecimiento de caídas de rocas, fallas escalonadas de bancos, etc., pudieran ocurrir como un resultado del incremento de los movimientos de talud, estos umbrales deberían ser implementados inicialmente para velocidades de movimientos más bajos.
Ejemplo de la Velocidad Inversa usada para implementar medidas de remediación y mitigación de Falla de Talud.
Este caso es presentado para ilustrar el uso de la Velocidad Inversa como herramienta para planear e implementar medidas de remediación en la mitigación de posibles fallas de talud, con la selección de adecuados umbrales de variación de movimientos basados en pronosticados tiempo de falla.
Este caso envuelve unos 3 a 10 millones de m3 (5 a 18 millones de toneladas) de inestabilidad en la pared noreste de la mina a tajo abierto Betze-Post, inestabilidad desarrolada fines del 2000 y que continuó deformándose en variaciones controladas, después de la culminación del minado en enero de 2003.
Durante el minado, las deformaciones del talud fueron controladas con obras de estabilización como pozos de bombeo, diques con material de botadero (buttress) a la mitad del talud,etc.
Desde inicios de Mayo hasta el fin de Junio del 2002, movimientos de talud dentro de una zona en cuña exhibieron aceleraciones indicando un tiempo de falla potencial de comienzos a mediados de Agosto de 2002.
La figura 5 es un gráfico de la Velocidad Inversa versus el tiempo para seis prismas ubicados en la parte superior del talud. Los umbrales de variación de movimiento fueron seleccionados de tal manera que se puedan realizar actividades de remediación, construcción de un buttress, en donde éste sería completado en período regular de dos semanas antes de la falla, si ésta fuera a ocurrir.
Aproximadamente tres días después del inicio de la construcción del buttress, decelaraciones fueron observadas según la información de monitoreo del talud. Un umbral de advertencia para la variación de movimiento de 2.5cm/día, o una velocidad inversa de 0.4días/cm, fue usada para programar la construcción y excavación. Como se verá en la figura 5, la remediación continuó sobre un período de tres semanas hasta que los desplazamientos del talud se estabilizaron hacias niveles aceptables.
Fig. 5: Gráfica de la Velocidad Inversa versus Tiempo, note cómo las obras de remediación y mitigación pueden impedir un deslizamiento.
Periódicamente durante todo el tiempo de minado, descargas adicionales de material de cresta fueron hechos para mantener los desplazamientos por debajo de los valores umbrales.
La falla de la pared superior noreste fue mitigada por implementación de medidas de remediación mencionadas arriba.
Conclusiones y Recomendaciones
El método de la Velocidad Inversa ha probado ser una herramienta útil en la predección de grandes fallas de talud y de aplicación exitosa en mitigar una potencial falla de talud teniendo en consideración el tiempo requerido para implementar medidas de remediación y programar actividades de mantenimiento con apropiados umbrales de advertencia.
Estimados lineales de la velocidad inversar deberían dar una razonable estimación del tiempo de falla, si las predicciones son actualizadas continuamente y con un adecuado nivel de filtración de data para reducir los efectos del error.
La primera ventaja del método es que las gráficas de la velocidad inversa, sean lineales o no, son más fáciles de extrapolar hacia el límite de falla que las usuales curvas hiperbólicas registradas por la aceleración de deformación antes de la falla.
Se recomienda mucha cautela en la aplicación de este método hacia taludes con falla de rápida roturam (Rose, Nick y Hungr, Oldrich, 2006).
Cada material tiene una manera intrínseca de deformarse antes de la falla, por tal, es recomendable ensayar los materiales que conforman el acantilado, saber cuál es la máxima deformación que pueden desarrollan antes de colapsar y definir un umbral de advertencia.
Finalmente, recomiendo aplicar esta metodología en los acantilados de la Costa Verde, empezando a colocar instrumentación que registren su comportamiento, tales como inclinómetros y/o extensómetros.
Referencias
Fukuzono, Teruki; Experimental Study of Slope Failure caused by heavy rainfall; International Association of Hydrological Sciences (IAHS); 1987
Rose, Nick y Hungr, Oldrich; Forecasting Potential Slope Failure in Open Pit Mines-Contingency Planning and Remediation; International Society of Rock Mechanics; Canadá, 2006.
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