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Estabilizacin

Correccin hidrolgica en El Barranco de PortainCarles Faanas Aguilera; Departamento de Medio Ambiente de la Generalitat de Catalua. GENCAT. Noelia Aguilar Marn; Geobrugg Ibrica S.A. Roberto Luis Fonseca; Geobrugg Ibrica S.A.

Los torrentes de alta montaa se ven afectados con notable frecuencia por procesos erosivos provocados por flujos hper concentrados o (debris flow). La dinmica natural de los cursos de agua de alta montaa, aunque no se tiene un registro claro por la falta de estaciones meteorolgicas, escribe su histrico por eventos catastrficos de este tipo que es especialmente interesante en el Barranco de Portain. Los tres ltimos acontecimientos de los que se dispone de registro son del ao 1982, 2006 y 2008. Todos comportaron notables inconvenientes y desperfectos en accesos y servicios de la estacin de Esqu de Portain y vecinos. El origen de los fenmenos erosivos tipos debris flow se atribuye en general a combinaciones de intensidad de precipitacin y pendiente de la cuenca y cauce, aunque la construccin de infraestructuras con movimientos de tierra no consolidados puede catalizar el fenmeno. Si bien los accesos se han restablecido, y se ha abordado la construccin de importantes infraestructuras de cruce de la carretera con los barrancos y por lo tanto mejora del drenaje, el conjunto de la cuenca ha quedado fuertemente afectada por inestabilidades potenciales que probablemente precipitaciones de menor intensidad y volumen pueden generar daos por la removilizacin del material meta-estable. Geobrugg ha estudiado la dinmica de la cuenca del Barranco de Portain y ha diseado protecciones que permitan compaginar una dinmica torrencial propia de la zona y la preservacin de las infraestructuras bsicas.

de Portain. La cuenca en sentido amplio est drenada por los Barrancos de Reguerals, dels Clots de Portain y Coma del Forn, que conducen el agua hacia el ro de Santa Magdalena o Romadriu. La cuenca tiene como cota mxima la del Pic de lOrri, que culmina a 2.439 m de altura, mientras desemboca en el Barranco de Romadriu, a una cota de 950m, superando el desnivel de casi 1.500m en unos 5,7km que representa una pendiente media del 16. La Estacin de Esqu inmersa en una importante inversin que garantice la viabilidad invernal est construyendo importantes infraestructuras de reserva y conduccin de agua. En concreto las conducciones de agua hacia los caones de nieve artificial, longitudinales a la mxima pendiente en muchos puntos, y los terraplenes de balsas han sufrido notablemente los efectos de la erosin y han proporcionado material slido a las incipientes escorrentas de cabecera de cuenca.

1. IntroduccinLa zona de estudio se halla parcialmente dentro de los lmites de la estacin de Esqu

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EstabilizacinLos episodios de precipitaciones torrenciales se producen peridicamente, aunque no se tiene un registro claro por la falta de estaciones meteorolgicas en la zona. Sus efectos generan importantes desperfectos, y las correspondientes tareas de reparacin y mantenimiento. El origen de los fenmenos erosivos tipos debris flow se atribuye en general a combinaciones de intensidad de precipitacin y pendiente de la cuenca y cauce (Figuras 1 y 2), aunque la construccin de infraestructuras con movimientos de tierra no consolidados puede ser uno de los elementos desencadenantes. En el caso de Portain los datos de los que se dispone son de precipitaciones para el evento de 2008 de 60mm en menos de 40 minutos. Precipitacin que se asume de periodo de retorno (T) prximo a 20 aos y tiempo de concentracin inferior a 20 minutos.Figura 1. Umbral de lluvia crtica para causar corrientes de derrubios (Mayer et al. 2003), sealizacin del evento de Portain de 2008.

2. Objeto del proyectoEl eje principal que orienta esta actuacin es el control o laminacin del caudal slido, mediante la retencin de una parte de los arrastres y por lo tanto con la disipacin de la energa de flujo. La actuacin pretende optimizar los drenajes en las intersecciones entre los cursos naturales del agua con las infraestructuras de acceso, de manera que su eficiencia se mantenga y no se generen alteraciones significativas aguas abajo. Las actuaciones se han proyectado en los puntos tcnico-econmicamente ptimos. Es por este motivo que se opta por la utilizacin de soluciones muy ligeras y heli-transportables que

Figura 2. Pendiente versus rea contributiva aguas arriba del punto de formacin de corrientes de derrubios (Mayer et al. 2003) y sealizacin del evento de Portain de 2008.

permiten una actuacin rpida y sin accesos mecanizados dainos para el medio (Figura 3.).

Figura 3. Vistas de una aplicacin de correccin hidrolgica en un torrente de alta montaa en Austria.

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EstabilizacinSi bien la actuacin pretende reducir el efecto erosivo, mantendr en un grado importante la dinmica torrencial de los flujos de alta montaa. estaciones teniendo en cuenta que se trata de precipitaciones de verano de efecto muy intenso y localizado resulta complejo. En cualquier caso en lugar de hacer la media de los datos de las diferentes estaciones, se ha utilizado la mxima precipitacin disponible. Los dos torrentes contiguos al de Portain no se han visto tan afectados por el evento y se utilizarn como base para determinar cul poda ser la geometra-morfologa de la seccin del Barranco de Portain previo al evento.

3. Descripcin del estado actualGeolgicamente la comarca del Pallars Sobir se encuentra dentro de la zona axial de los Pirineos. Estructuralmente contiene dos grandes domos, el de la Pallaresa y el del Orri, separados por el pliego sinclinal de Llavors. La cuenca en cuestin tiene un sustrato cuarctico y pizarroso formado por una gran variedad de materiales, mayoritariamente paleozoicos metamorfizados, que fueron sometidos a la tectnica herciniana y alpina. Los materiales potencialmente movilizables o removilizables por el torrente son generalmente productos morrnicos acumulados en forma de espalderas en la parte ms alta del torrente y materiales de pie de vertiente depositados pseudo-paralelos a la pendiente. Barrancos de Portain X Y 4702000 354500 4696500 350800

4. Condicionantes tcnicosLas soluciones que se proponen en este proyecto tienen en comn la voluntad de reducir la energa de futuros y potenciales eventos a la vez que mantener una dinmica torrencial normal en el marco de alta montaa. La limitacin econmica y la demanda de una razonada gestin hidrolgica-forestal de las comarcas de montaa requieren de una inversin justificada. Por este camino se ha llegado a determinar que las estructuras flexibles suponen un ahorro notable respecto a las tradicionales estructuras rgidas de hormign por: A. Utilizan materiales ms ligeros que permiten ser transportados a mano o con helicptero hasta el punto escogido para ser instalados. B. El volumen total de material necesario para completar una instalacin de iguales dimensiones es mucho menor en el caso de las estructuras flexibles. C. La cimentacin de la estructura no se apoya sobre el terreno degradable o susceptible de erosionarse del cauce sino sobre los laterales con anclajes a traccin. D. La instalacin es muy rpida con escasos das para cada proteccin.

Lmite norte este sur oeste

Tabla 1. Coordenadas UTM de las cuencas

En los dos casos materiales de reducida cohesin y bajo ngulo de friccin y por tanto fcilmente erosionables .La hidrologa utilizada para el estudio se ha realizado a partir de un estudio de caudales del torrente afectado. La precipitacin e intensidad utilizada son fruto de estaciones meteorolgicas cercanas, si bien no en la misma estacin de esqu como sera lo correcto. Extrapolar los datos de otras

Mes Pmedia (mm) Tmedia (C) Tmnima (C)

Ene 65,1 1,3 -9,9

Feb 59,0 2,0 -9,3

Mar 57,1 4,1 -8,1

Abr 89,7 5,9 -5,2

May 110 9,6 -1,9

Jun 98,4 13,8 2,1

Jul 66,8 17,5 5,7

Ago 87,4 16,8 5,3

Set 86,8 13,9 2,4

Oct 82,5 9,2 -2,2

Nov 109,6 4,5 -6,3

Dic 74,1 1,5 -9,19

Anual 986,8 10,0 -12,1

Tabla 2. Resumen de las condiciones climatolgicas de la cuenca del Barranco de Portain en 2008.

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Figura 4. Vistas de una de las actuaciones de proteccin construidas en el invierno 2008-2009 para la proteccin de los posibles efectos de un nuevo debris flow en la intercepcin con la carretera en la cuenca del Barranco de Portain.

E. En el caso de hacerse imprescindible la limpieza de la proteccin una vez rellenado resulta muy sencilla pues puede desmontar a la barrera manual desde aguas arriba como desde aguas abajo. F. El precio de suministro compite perfectamente con los elevados precios de suministro de hormign en alta montaa. G. El ahorro total entre suministro e instalacin de las soluciones flexibles oscila entre el 3060% respecto las rgidas. Puesto que las barreras son permeables para su construccin, la energa del flujo con carga granular que impacta es absorbida como consecuencia de la retencin de los slidos de mayor tamao y la decantacin de los materiales finos con agua. Para la ubicacin de la barrera debe ser escogida una seccin transversal tipo. La inclinacin debera ser la menor posible para reducir la velocidad de impacto y ampliar la capacidad de retencin. El emplazamiento debera estar accesible para asegurar una inspeccin inmediata y una limpieza si fuera necesaria. La zona de cimentacin de la barrera debe ser suficientemente estable para soportar las cargas transmitidas; normalmente no es necesario tomar medidas de proteccin adicionales. Los elementos de frenado que han trabajado (deformacin plstica) deben ser reemplazados. Este es el nico elemento que habitualmente hay que sustituir despus de eventos de mayor energa. Si la barrera es diseada para permanecer llena de detritus, las cargas estticas y la corrosin deben ser consideradas.

5. Justificacin de la solucin adoptadaLa observacin del evento de diciembre de 2008 ha permitido conocer mejor anteriores eventos como por ejemplo del ao 1982. El conocer los efectos de dos de los eventos de flujo de alta densidad ms importantes en el histrico de la zona nos permite realizar estudios retrospectivos de la dinmica torrencial de este torrente-cuenca. Datos como la zona de erosin y alimentacin del slido del evento (cabecera, cabecera-canal, canal, deslizamiento de ladera, etc.), zonas de trnsitodepsito del slido a lo largo del cauce y zonas de depsito del slido en desembocadura permiten discernir calados, velocidades y cambios de rgimen de flujo que sobre una topografa detallada permiten. Como recordatorio citamos la existencia de infraestructuras bsicas como la de la carretera de acceso a la estacin y obras transversales de drenaje que pretendemos con esta actuacin preservar y proteger. Es por este motivo que se pretende reducir el poder erosivo del flujo aguas arriba de cada punto de cruce con la carretera y laminar el flujo para que sea posible su paso por la obra de drenaje y al mismo tiempo reducir el caudal slido para que la socavacin en la base de la infraestructura sea mnima (Figura 4). Para calcular la energa del flujo y el empuje de ste sobre la estructura, se ha utilizado el programa DEBFLOW que simula el empuje del flujo de alta densidad sobre una estructura flexible (Figura 5).Para calcular el empuje del flujo ha sido necesario primero calcular el volumen desplazado por el evento de

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TRAMO 2 TIPO Y DENSIDAD DEL DEBRIS FLOW Figura 5. Datos de entrada bsicos para el programa DEBFLOW usados en los tres tramos erosivos de la cuenca del Barranco de Portain. Tipo Densidad Peso especfico del material Contenido en agua Volumen total del debris generado TRAMO 1 TIPO Y DENSIDAD DEL DEBRIS FLOW Tipo Densidad Peso especfico del material Contenido en agua Volumen total del debris generado GRANULAR 2200 21,6 0,27 7.700 m3 kg/m3 kN/m3 Tipo Densidad Peso especfico del material Contenido en agua Volumen total del debris generado TRAMO 3 TIPO Y DENSIDAD DEL DEBRIS FLOW GRANULAR 2200 21,6 0,27 8.200 m3 kg/m3 kN/m3 GRANULAR 2200 21,6 0,27 6.900 m3 kg/m3 kN/m3

septiembre de 2008. Este clculo se ha realizado mediante la medida del surco de erosin en secciones cada 25 metros en cabecera y canal del torrente al que se le ha restado una seccin original obtenida de los barrancos contiguos no afectados por el evento. Por otro lado este volumen se ha comparado con el depsito del fondo del barranco a la confluencia con la salida de la presa (Figura 6). 5.1. Estimacin del volumen que puede alcanzar la proteccin La estimacin del volumen que puede llegar a la UX/VX se realiza a partir de la combinacin de los datos topogrficos de los que se dispone, la experiencia y la observacin in situ de las caractersticas del emplazamiento. Si partimos del volumen movilizado el ao 2008 en el

barranco podemos realizar el clculo para que como mnimo pueda soportar un problema de igual magnitud, pues se estableci de forma oficiosa este evento con periodo de retorno de 20 aos. Segn este estudio del 2008 se cuantifica en 20.000 m3 de materiales transportados por el torrente hasta el pie del barranco. Estos datos permiten realizar un back-anlisis para simular cul habra sido la proteccin ideal para este caso. Resulta bsico conocer el volumen movilizado aunque dependiendo de la posicin en la que se instalen las protecciones a lo largo de la zona del canal del debris se reducir el volumen, pues no incorporar ms cantidad de material procedente del propio canal. El volumen de material movilizado en la zona de generacin del debris ser con certeza inferior al volumen total de material que impactar sobre la

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Figura 6. Vista del surco-canal de 30m2 aproximadamente y levee de 1.5-3.5 m2 producto del evento de 2008 en comparacin con restos de la levee de la que se cree el evento del 1982.

proteccin pues hay que aadir aquellas aportaciones adicionales de rboles, rocas, etc. que pueda incorporar de forma erosiva como consecuencia del movimiento. El volumen total disponible no es el volumen movilizable a corto plazo y por una precipitacin con periodo de retorno similar a la del ao 2008, aunque da idea de los reiterados deslizamientos que pueden producirse. 5.2. Determinacin del caudal Para la determinacin del caudal se puede emplear la expresin de Mizuyama, esta expresin permite obtener el valor del flujo a partir de una clasificacin. Entre flujo granular y fino, se utilizar la expresin para terreno granular, no slo porque se adecua ms a lo observado sino porque se obtienen valores ms altos, lo que sita el anlisis en el lado de la seguridad. Qp = 0,135 VDF0,78 donde: Qp: flujo, gasto o caudal VDF: volumen medio del material arrastrado 5.3 Determinacin de la velocidad de flujo con el DEBFLOW En general para aproximar este parmetro se recurre a la expresin de Rickenman que propone una relacin entre el caudal y la velocidad del mismo, a partir de la pendiente del curso fluvial. v = 2,1 Qp0,33 S0,33

donde: v: velocidad S: tangente de la pendiente del curso fluvial Se podra llegar a esta conclusin tambin usando bibliografa como la que se expone a continuacin, en este caso conocemos la pendiente media del curso (26). La norma japonesa sugiere la ocupacin de la expresin de Manning-Stricker para la determinacin de la velocidad del flujo. V= 1/nd H 0,67 S0,5 donde: nd es el coeficiente de Manning, el valor del cual esta comprendido normalmente entre 0,05s/m1/3 y 0,18s/m1/3. La profundidad h del flujo se calcula usando la seccin transversal y la descarga mxima. H=Qp/vb 5.4 Masa activa del material trasladada por el flujo con el DEBFLOW Como consecuencia de la composicin del flujo y de la permeabilidad de la barrera, se produce un lavado durante el impacto, por lo tanto no toda la masa que tiene el flujo es detenida. El peso efectivo se determina bajo el supuesto que slo esta parte del flujo acta dinmicamente y de que se llene la barrera con detritus entre el momento de contacto y el tiempo que ocurre la mxima deflexin de la

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Figura 7: Ejemplo de que una misma cuenca puede proporcionarnos debris flow de diferente composicin. Fuente WSL.

red de anillos. El material que se traslada normalmente es heterogneo y tiene densidad variable, se puede tomar como valor medio emprico una densidad de 22kN/m3 (Figura 7). En los ensayos realizados en Oregn, el tiempo de frenado era aproximadamente 1s. Normalmente estos valores pueden llegar hasta 4s, en funcin del tipo de materiales de arrastre. MDF = DF QDF t donde: MDF: masa activa DF: densidad del flujo de detritus t: tiempo de impacto 5.5 Determinacin de la carga de impacto con el DEBFLOW Con los valores de masa activa y de velocidad se puede determinar la energa cintica del flujo en contacte con la barrera. EK = 0,5 MDF v2

Segn la segunda ley de Newton: F=m a La distancia se obtiene del producto de la velocidad y el tiempo: d=v t La velocidad es el producto de una aceleracin y del tiempo: v=a t De las ecuaciones (6) y (7) se obtiene: a = v2 /d Utilizando las ecuaciones (4), (5) y (8) se puede deducir que la fuerza cuasi-esttica es igual al doble de la energa cintica dividida por la distancia de frenado. FQS= 2 EK/ d donde: FQS: carga cuasi-esttica EK: energa cintica d: deflexin mxima Con los valores de combinacin de energa y la presin en el trasds de la barrera por efecto

Igualmente, como resultado de ensayos y de la experiencia en diferentes emplazamientos, se sabe que la deflexin mxima a la que se llega est en el orden de 2-4m. Con esto se puede estimar la carga cuasi-esttica que debe soportar la barrera:

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Figura 8. Consideracin del posible efecto de la ocurrencia del llenado mediante varios eventos sucesivos (olas). Descripcin del proceso de llenado del trasds.

RESUMEN DE LOS RESULTADOS Sistema Proteccin GEOBRUGG UX180-H6 n protecciones Volumen total retenido V.retencin p/u 1.044-2.100 m 11 ud. 15.000-20.000 m3 GEOMETRIA DE LAS BARRERAS Altura del sistema Ancho de la zona inferior del barranco Ancho de la zona superior del barranco Distancia con la barrera siguiente 4-6m 6-10m 12-24m 30-70m3

FS 1,4

de la combinacin de las cargas cuasi-estticas durante el proceso de llenado del DEBFLOW se obtiene un valor de presin cuasi esttica del orden de 130kN/m2. Por lo tanto se propone la solucin dentro del rango de soporte de los componentes del sistema UX/VX. Dada la alta energa posible obtenida de los clculos proponemos la instalacin de TRES

ZONAS DE PROTECCIN coincidiendo con los tramos de erosin definidos y las zonas de proteccin necesarias.

6. Determinacin del riesgo residualDe la experiencia aplicada en Suiza, Andorra, Japn proponemos una de las frmulas aplicadas

Figura 9. Vista de una proteccin flexible tipo UX/VX colmatada y de la simulacin computerizada mediante el programa de simulacin FARO. Fuente WSL-GEOBRUGG.

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Estabilizacinall para la evaluacin del riesgo residual. El riesgo residual se ha determinado a partir de la frecuencia de eventos de corrientes de detritus que puedan sobrepasar las protecciones instaladas e impactar en las infraestructuras a proteger, segn la expresin: Fi = Fs Fa P donde: Fi: la frecuencia de impacto en las infraestructuras de las corrientes de detritus que sobrepasan las protecciones. Fs: la frecuencia de salida o de desencadenamiento de corrientes de detritus. Fa: la probabilidad de llegada de las corrientes de detritus a los terrenos a proteger. P: la permeabilidad de la proteccin. Esta frecuencia de impacto (Fi) se ha analizado de forma particular para cada uno de los escenarios considerados en la simulacin (probable, posible y excepcional) los cuales presentan volmenes particulares. La frecuencia de salida (Fs) se determina a partir de los perodos de retorno estimados mediante el anlisis geomorfolgico. Se han considerado cuatro valores de la frecuencia de salida (Fs): a) 0,1 evento/ao que corresponde a una frecuencia alta para los escenarios probables segn la simulacin. En este caso se consideran acontecimientos con volmenes de salida de 500 metros cbicos y reologa propia de la cuenca. b) 0,01 evento/ao que corresponde a una frecuencia media para los escenarios posibles segn la simulacin. En este caso se consideran acontecimientos con volmenes de salida de hasta 5000 metros cbicos y reologa de la cuenca. c) 0,001 evento/ao que corresponde a una frecuencia baja para los escenarios excepcionales. En este caso se consideran acontecimientos con volmenes de salida de hasta 10000 metros cbicos y reologa de la cuenca. d) Adicionalmente, y para mayor seguridad en la estimacin realizada, se ha considerado un acontecimiento catastrfico, sin representacin en el registro geomorfolgico, que podra sobrepasar cualquier tipo de proteccin y que presentara una frecuencia de 0,00001 evento/ao (frecuencia inferior a la baja). La probabilidad de llegada (Fa), que se obtiene a partir de la simulacin, determina si el escenario del corriente de detritus puede llegar, o no, en la zona a proteger. Se han considerado dos valores: el 0 si la corriente no llega, y 1 si la corriente llega segn la simulacin. La permeabilidad de la proteccin (P), representada como el porcentaje de corrientes de detritus que sobrepasan la proteccin, es estimativa (estimada por el lado de la seguridad) y se basa en las simulaciones de detalle efectuadas en el presente estudio teniendo en cuenta las obras de defensa recomendadas. En este sentido, se estima de acuerdo con las simulaciones efectuadas que las protecciones proyectadas garantizan como mnimo la proteccin de las mismas con los siguientes porcentajes: Eventos probables: Se estima una proteccin del 100%. Acontecimientos posibles: Se estima una proteccin mnima del 99,9% (en realidad se podra considerar del 100% dado que el dimensionamiento se efecta para eventos posibles y por tanto los mrgenes de seguridad respecto a este tipo de eventos es muy elevado).

BARRANCO DE PORTAIN Probable Posible Excepcional Catastrfico Fs 0,1 0,01 0,001 0,00001 Fa 0 0 1 1 P 0% 0,1% 5% 100% Fi 0 0 0,00005 0,00001

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EstabilizacinEventos excepcionales: Se estima una proteccin del 95% despus de las actuaciones previstas. Por otro lado, y para obtener unos resultados por el lado de la seguridad, se ha considerado que cualquier evento catastrfico sin registro geomorfolgico podr sobrepasar las protecciones contempladas (nivel de proteccin del 0%). Determinacin de la frecuencia de impacto (Fi) en los corrientes de derrubios. Fs: Frecuencia de salida, P: permeabilidad mxima que deber tener la proteccin en cada escenario, Fa: Probabilidad de llegada segn la simulacin. Los datos de las frecuencias estn dadas en eventos / ao. La frecuencia de impacto asumible se estima en 10-4 y 10-5 eventos/ao por 1 a 10 prdidas humanas, respectivamente. Se ha considerado que un escenario de corrientes de detritus que pueda sobrepasar las protecciones pueda causar aproximadamente una decena de muertos en cada una de las zonas consideradas, dato que debe considerarse como extremo para obtener una seguridad en los clculos. Segn Fell y Hartford (1997), se podra considerar como un nivel de riesgo despreciable un evento con un orden de 10-4 y 10-5 eventos / ao que genere aproximadamente de 1 a 10 prdidas humanas, respectivamente. Segn este dato, la frecuencia de impacto de la zona de estudio una vez protegida se podra considerar como aceptable ya que los valores de riesgo residual obtenidos seran como mximo de 6x10-5 evento/ao. para el emplazamiento concreto. La solucin garantiza una actuacin de escaso impacto ambiental con unos riesgos residuales mnimos. La combinacin entre soluciones tradicionales como los muros-diques de escollera y las novedosas soluciones UX/VX son posibles como se prueba en las actuaciones proyectadas, aumentando incluso la durabilidad frente a erosin y socavacin de los diques de escollera.

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7. ConclusionesSi bien es cierto que el Barranco de Portain rene las condiciones para que sea considerado un debris flow originado en el canal, pensamos que la presencia de materiales no consolidados, fruto de obras de movimiento de tierras en la cuenca, han actuado como elemento precursor. La solucin mediante el Sistema UX/VX contra los debris flow resuelve satisfactoriamente las solicitaciones calculadas para el Barranco de Portain con potencial para la retencin mediante un sistema escalonado de barreras flexibles con capacidad para la retencin individual de entre 1.400-2.000 m3 y conjunto de un mximo de 20.000m3. Los requisitos de impacto ambiental y sostenibilidad econmica satisfacen las exigencias del cliente

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