ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORAL FACULTAD DE INGENIERIA EN CIENCIAS DE LA TIERRA

Artculo de Tesis de grado, Abril, 2015

Incidencia del agua, en los procesos de inestabilidad de taludes y laderas en el centro y norte de la ciudad de Guayaquil

Miguel Angel Chavez, Luis Zambrano Cruzatty* Facultad de ingeniera en Ciencias de la Tierra-FICT,

Escuela Superior Politcnica del Litoral-ESPOL, Campus Gustavo Galindo, Km 30.5 Va Perimetral

Apartado xxx, Guayaquil Ecuador. migachav@espol.edu.ec

*Ing. Civil, profesor de la FICT-ESPOL, luedzambrano@espol.edu.ec

Resumen

Mediante un anlisis terico aplicado, se efecta la constatacin de las condiciones fsicas y del comportamiento que han tenido las laderas y taludes que existen en el centro y norte de la ciudad de Guayaquil. Se llega a establecer los mecanismos mediante los cuales las aguas lluvias actan causando afectaciones de diferentes tipos, que se traducen en daos, en situaciones de riesgo de prdida de bienes materiales y en un mayor grado de importancia, eventuales prdidas de vidas humanas. Las condiciones naturales de los macizos rocosos determinan que las acciones antrpicas, en especial las excavaciones para construir obras, hayan dado lugar al deterioro de las masas rocosas que se han vuelto inestables, en especial bajo la presencia de las aguas lluvias. Luego de analizar, partiendo de la informacin obtenida de los mecanismos que generan la inestabilidad, se proponen soluciones para llegar a controlar o manejar dichas situaciones y se analizan casos ocurridos por acciones antrpicas, destacando los aspectos ms trascendentes y as evitar nuevos errores o desaciertos.

Palabras Claves: Macizos rocosos, acciones antrpicas, deterioro, aguas lluvias, inestabilidad, soluciones.

Abstract

Through an applied theoretical analysis, the physical conditions and the given behavior of the slopes in the downtown and northern section of Guayaquil are verified. The mechanisms by which the rain water acts, affects slope stability in several possible ways. These effects are presented as damages, loss of physical possessions and even more important the potential loss of human lives. The natural conditions of the rock masses determine the anthropic actions that may have caused a deterioration of the rock masses which are now unstable and even worse at the presence of water. This anthropic actions include deep diggings for constructing any civil work. After making the respective analysis from the obtained information of the mechanisms that trigger the instability, several solutions for achieving control and handling these dangerous situations are proposed. The given cases that happen due to anthropic actions and having special care in transcendent detail for not committing the same mistakes again, are analyzed.

Keywords: rock masses, anthropic actions, deterioration, rainwaters, instability, solutions.

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1. Aspectos fundamentales

En el punto de partida del anlisis constituyen las condiciones geolgicas de los macizos rocosos estudiados que estn conformados por estratos de rocas sedimentarias que presentan una inclinacin tridimensional, denominado buzamiento de los estratos y que en algunos sectores se hacen mucho ms pronunciados, capas rocosas que pueden constituirse en reas de infiltracin y caminos por donde el agua fluye. Para el presente anlisis tienen gran trascendencia el parmetro de la fracturacin tectnica ya que existen hasta tres familias de fracturas, dada a la presencia del agua son las responsables de numerosos procesos de inestabilidad, que incluyen procesos erosivos e importantes deslizamientos. Las discontinuidades (estratificacin y fracturas), pueden ser graficadas y analizadas con una red estereogrfica.

El comportamiento geomecnico de los macizos rocosos que en forma natural presentan un importante grado de meteorizacin, estn directamente vinculados con el deterioro que tienen los frentes excavados. En estas condiciones el agua evidentemente genera desestabilizacin.

Otro aspecto de gran importancia constituyen los depsitos de suelos naturales como lo son los coluviales y los rellenos efectuados en las hondonadas que constituan parte del drenaje natural. En los dos casos, debido a que se han provocado cambios en el medio natural, el agua ha causado procesos erosivos superficiales y sub superficiales, provocando adems elevadas presiones intersticiales o de poros en los suelos arcillosos, el resultado ha sido la desestabilizacin.

Un parmetro fundamental constituye el nivel fretico que se forma con las lluvias. Se establece que bajo el nivel fretico, existen condiciones de carga hidrosttica, flujo a presin en el caso de fracturas y la presin intersticial o de poros que acta cuando se tienen suelos arcillosos.

Para analizar los procesos de desestabilizacin se deben utilizar y de ser el caso procesar la informacin:

Topogrfica, geolgica, hidrolgica, hidrogeolgica y geotcnica de los terrenos a estudiar, para luego proceder al anlisis del comportamiento derivado de la presencia de las aguas lluvias.

La topografa permite establecer los rangos de pendiente y analizar las formas actuales del terreno de una constitucin interna de estratos de rocas lutitas, limolitas, areniscas, micro conglomerados de la Formacin Cayo SS y de lutitas silicificadas de la Formacin Guayaquil Chert, las cuales estn bastante meteorizadas.

El fenmeno de El Nio es un factor crtico que, teniendo un corto periodo de retorno de hasta 15-20 aos, deber siempre considerarse al tomar en cuenta el nivel fretico de un sitio determinado. Se establece que los aspectos hidrogeolgicos se aplican de un modo especial a los depsitos coluviales, ya que es evidente que ocurren flujos subterrneos con capacidad erosiva y de generar presiones intersticiales. El enfoque de estudios particulares se generalizo en 3 sitios de Guayaquil, siendo estos Cerro Azul, Cerro del Carmen y Laderas de Bastin de Popular.

2. Parmetros

Con el fin de poder ejecutar los anlisis de casos para los sitios de estudio antes mencionados, se utiliz informacin de los parmetros pertinentes la cual fue recopilada y posteriormente utilizada en cada estudio particular. A continuacin se presenta por medio de tablas de parmetros y redes estereogrficas, la informacin relevante a dichos anlisis en base a la mecnica de suelos, rocas, e informacin geolgica necesaria:

Tabla 1. Parmetros para estudio de Cerro Azul.

Figura 1. Discontinuidades del Cerro Azul representadas en una red estereogrfica.

90 grados

68.79 grados

82 grados

N

Direccin de la

ladera F1 1

37/70

F2 255/82

Buzamiento 190/16

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La informacin geotcnica y geolgica del Cerro Azul fue obtenida respectivamente en base a un estudio realizado en 1998 para proveer soluciones a los deslizamientos generados en dicha poca.

Figura 2. Discontinuidades del Cerro del Carmen representadas en una red estereogrfica.

El Cerro El Carmen tiene 2 zonas donde sus condiciones geolgicas son distintas, teniendo el lado sur un paquete de estratos paralelos a la direccin del talud y el lado norte con grupos de estratos en sentido contrario a dicha pendiente. Se evalu exclusivamente el lado norte ya que dichas condiciones generan el mecanismo de falla de inters para el estudio, siendo este el de la falla por bloques de roca. En el lado sur se tena la presenciad de fallas planas lo cual ya es sujeto de investigacin en Cerro Azul, por lo cual no fue considerado para el anlisis central.

Tabla 2. Parmetros para estudio en Bastin Popular.

La informacin que se recopil para una ladera estudiada en Bastin Popular fue en base a datos geotcnicos que fueron obtenidos en diferentes sitios de la ciudad de Guayaquil pero estos pudieron ser aplicados al sitio en cuestin al tenerse condiciones y propiedades bastante similares a dicha zona de estudio.

3. Resultados

De la informacin proporcionada se evaluaron factores de seguridad de la matriz rocosa de los terrenos naturales estudiados en Cerro Azul y Bastin Popular respectivamente, mientras que para Cerro de El Carmen se evalo exclusivamente de forma cualitativa el mecanismo de colapso existente en la zona particular de la matriz rocosa analizada.

Para el caso de Cerro Azul, se utiliz una ecuacin propuesta por los autores Hoek y Bray para un caso de fallas planas a lo largo de su respectivo plano deslizante, en conjunto con la existencia de grietas de tensin las cuales estaran dotadas de un contenido de agua que a su vez generara fuerza de empuje producto de la presin hidrosttica existente. Dicho anlisis evala tambin la incidencia de la sismicidad en el medio. Se tiene as que: = + [ ] + +

Tabla 2. FS obtenido de estudio de caso en Cerro Azul

Del estudio de caso de Cerro del Carmen, no se tuvo un enfoque con resultados numricos pero se dej en claro el mecanismo de falla ante las condiciones geotcnicas del sitio, el cual sera el mismo tipo de mecanismo de colapso que se tendra en toda la matriz rocosa ubicada en el lado norte de dicho cerro. Cabe recalcar que el volumen deslizante o cado de El Carmen es bastante irregular, es por esto que se opt por no ejecutar un anlisis cuantitativo al tenerse una gran dispersin en los resultados numricos. A continuacin se presenta el mecanismo de falla por cuas o bloques de roca existentes en el lado norte del cerro.

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Figura 3. Representacin del macizo rocoso del Cerro del Carmen y su falla por cua existente.

En una ladera en particular de la zona de estudio de Bastin Popular, se realiz el anlisis de presentar la incidencia de un nivel fretico variable en conjunto con una posible aceleracin ssmica existente para as afectar a un factor de seguridad en el sistema. Esto fue realizado mediante un mtodo de anlisis de estabilidad de taludes ante cargas esttico-ssmicas y con la intervencin de una superficie de falla no circular, la cual efectivamente se tuvo en este caso. Se utiliz el software Galena aplicando la metodologa de Sarma obteniendo los siguientes resultados:

Tabla 3. FS obtenido de estudio de caso en laderas de Bastin Popular

4. Soluciones

Una de las soluciones de ingeniera ms importantes que se deducen del anlisis efectuado, se orienta, en la mayora de casos en el control y el manejo de las aguas lluvia. As se pueden enumerar las siguientes soluciones:

1. Restitucin del drenaje natural en las laderas mediante la realizacin de canales que conduzcan los flujos de agua mediante soluciones que no generen erosin e infiltracin.

2. Construir pantallas de interseccin de flujo para hacer descender el nivel fretico y en consecuencia las presiones de poro o presiones intersticiales.

3. Construir drenes para captar conducir los flujos de agua que se desarrollan en las masas de suelo y tambin en los macizos rocosos.

4. Impermeabilizar las reas de mxima infiltracin que han sido previamente excavadas

5. Como una solucin preventiva, debe evitarse cortes o excavaciones en laderas, sin que previamente se

diseen y construyan soluciones de estabilizacin, debe aplicarse el concepto de corte estabilizado.

5. Conclusiones

1. Los macizos rocosos en la ciudad de Guayaquil estn muy meteorizados y fracturados, lo que da lugar a una accin ms incidente de las aguas lluvias, tanto en la escorrenta superficial (por infiltracin) como en el flujo interno en dichos medios naturales. En la presente tesis esto fue corroborado fcilmente por inspecciones visuales a los macizos rocosos, donde ha falta de cubierta vegetal se han tenido diferencias fsico-qumicas que se pueden apreciar al observarlos.

2. El reconocimiento adecuado de los macizos rocosos, su constitucin y caractersticas fundamentales en su funcionamiento natural equilibrado, es fundamental para evitar su desestabilizacin.

3. Para el estudio de Cerro Azul, al haber tenido diferencias de altura de agua de un 9.1%, se tuvo una variacin positiva del factor de seguridad en un 15.2%. Este cambio porcentual no lineal se dio tomando en cuenta nicamente al agua presente, mas no a la aceleracin ssmica ya que no se la considero para ese anlisis.

4. Es de importancia notar que bajo la presencia de una aceleracin ssmica de 0.15g y estando ante condiciones ms favorables de altura de agua, una disminucin de la altura de agua del 33.3%, tuvo una disminucin del FS en un 2.5%. Esto establece claramente el impacto ssmico en contraste al del agua sobre el macizo rocoso, a pesar que ambos son de mucha importancia.

5. En los medios rocosos fracturados y meteorizados de la ciudad, tienen particular importancia los procesos de deterioro de los frentes excavados, debido a que decrecen las propiedades de resistencia y con la presencia del agua, se generan diversos tipos de deslizamientos.

6. Los depsitos coluviales que se encuentran al pie de los cerros y colinas constituyen terrenos no aptos para construir, debido a que al ser excavados se genera una accin muy desestabilizadora de taludes.

7. Las condiciones ms crticas para la generacin de un deslizamiento se tendrn cuando estando en un fenmeno de El Nio, se produzca un sismo, aunque este sea de baja intensidad.

8. Ante las aceleraciones ssmicas de 0.15g y 0.2g del estudio de casos, no fue necesario el evaluar el factor de seguridad ante un sismo con aceleracin mxima de 0.4g, correspondiente a Guayaquil segn la NEC2011. Teniendo estas aceleraciones inferiores al mximo establecido y con niveles freticos de nivel medio, fue suficiente para generar factores de seguridad inferiores a 1.0,

Estratifica

cin

Cua con posibilidad de salirse

Interseccin F2 - F3

F2F3

Cua

F1 F1

Interseccin F2 -F3

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teniendo as el gran impacto de la aceleracin de la gravedad en estos FS.

9. La Diferencia porcentual entre los FS del estudio de Bastin Popular, fueron relativamente altas ante condiciones de NF iguales y dado un sismo igual a 0.2g. Un 21.4% de diferencia de FS logra establecer de forma cuantitativa el impacto de un sismo ante condiciones idnticas en un determinado sitio.

10. La aplicacin de las soluciones que fueron planteadas ante la accin de agua superficial o sub superficial, indudablemente mitigaran en gran parte o erradicaran complemente el presente o futuro impacto que dara lugar a la falla del talud. El uso de las mismas, dependern de la fase en que se encuentre el sitio, ya sea constructivo, post constructivo o de un estado aun no alterado de forma antrpica.

6. Recomendaciones

1. Es importante que cuando se requieran construir obras de ingeniera, en articular urbanizaciones, edificaciones de todo tipo y vas, debe realizarse un completo estudio de las condiciones previas en las que se encuentra el macizo rocoso, sus condiciones geolgicas, hidrolgicas, hidrogeolgicas y geotcnicas. El principal objetivo debe ser valorar los efectos del deterioro y en especial la accin del agua en cualquier forma de accin que esta tenga (lluvia, escorrenta, infiltracin) en las nuevas condiciones, con la finalidad de adoptar las soluciones de ingeniera ms apropiadas.

2. Para efectuar el anlisis de estabilidad de las condiciones previas y posteriores a los estudios y diseos es necesario que se efecten los correspondientes ensayos de laboratorio, en especial los parmetros relacionados a los anlisis de estabilidad.

3. Cuando se dan soluciones o se disean taludes y obras de estabilizacin debe considerarse como la condicin ms crtica del nivel fretico, la que se tiene en un fenmeno de El Nio muy fuerte especialmente debido al corto periodo de retorno de este fenmeno.

4. Realizar un estudio para determinar cuantitativamente la incidencia de un fenmeno de El Nio en el aumento del nivel fretico, de tal manera que la comunidad de ingenieros geotcnicos cuente con una herramienta que le permita evaluar este efecto con un buen nivel de confianza.

7. Agradecimiento

A la Facultad de Ingeniera en Ciencias de la Tierra de la ESPOL por haberme formado integralmente en mi

profesin, a todos mis Profesores, a mi Director de Tesis y de un modo muy especial a mi padre, el Doctor Ingeniero Miguel ngel Chvez Moncayo, un ejemplo a seguir.

8. Referencias:

[1] Marn Nieto Luis, Mecnicas de Suelos, Universidad de Guayaquil 1981.

[2] Cceres, L. y Gonzlez, A., Erosin por Flujo Superficial y Sub superficial en la Ciudad de Tunja. Memorias del VIII Congreso Colombiano de Geotecnia, 3.1-3.12, Santa F de Bogot, Colombia, 2000.

[3] Chvez Moncayo Miguel, Procedimiento de Investigacin para la Eleccin de Soluciones de Estabilizacin de Taludes y Laderas en Suelos y Rocas Blandas del Litoral Ecuatoriano, Tesis Doctoral, Universidades Iberoamericanas, 2007.

[4] Varnes, D.J., Landslide Hazard Zonation: Review of Principles and Practice. France: UNESCO, 1984.

[5] Espol, 1999., Estudios y Diseos para la Estabilizacin del Cerro Azul, Municipalidad de Guayaquil.

[6] Proyecto "Tunel Del Carmen" Volmenes 4-5-6, Unidad de Transporte Masivo para Guayaquil, realizado por Escuela Superior Politcnica del Litoral, 1987.

[7] Nuez Del Arco E., Dugas F., Gua Geolgica del Sur-Oeste de la Costa Ecuatoriana, 1987, 160 pginas.

[8] Seepage, Drainage & Flownet de Harry R. Cedergreen (1967).

[9] Vera Grunauer, Xavier (2005). Estudio geotcnico fase II (Investigacin y estudio del comportamiento dinmico del subsuelo y la microzonificacin ssmica de la ciudad de Guayaquil). Guayaquil: Instituto de Investigacin y Desarrollo Facultad de Ingeniera IIFIUC.

[10] Wyllie, Duncan C., W. Mah, Christopher. (2005). Rock slope Engineering: Chapter 5 Ground Water. USA, New York: Spon Press.

[11] Hoek, E. and Bray, J. W., Rock Slope Engineering 3th Edition. The Institute of Mining and Metallurgy. London, 1981.

[12] Buhdu, Muni. (2011). Soil Mechanics and foundations: Chapter 9 two-dimensional flow of water through soils. USA: John Wiley & Sons, Inc.

[13] Comisin de Estudios para el Desarrollo de la Cuenca del Ro Guayas (CEDEGE), Publicaciones Del Departamento de Hidrologa (1984).

Tutor Ing. Luis Zambrano Cruzatty