“Manejo de aguas de lluvias en laderas y estabilidad de laderas desde la perspectiva de riesgo”
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“MANEJO DE AGUAS DE LLUVIAS EN LADERAS Y ESTABILIDAD DE LADERAS DESDE LA
PERSPECTIVA DE RIESGO”UNIDAD I
“LA LLUVIA Y SUS EFECTOS SOBRE LA ESTABILIDAD DE LADERAS”
PRECIPITACIÓN (LLUVIAS)
FormasLloviznaGotas con diámetros de 0.1 a 0.5 mmVelocidad de caída baja: 1 m/seg a < 3 m/segLluviaGotas con diámetros > 0.5 mmVelocidad de caída media: 3 m/seg a < 7 m/segChubascoGotas grandes y dispersas con diámetros > 3 mmVelocidad de caída > 7 m/segEscarchaCapa de hielo con bolsas de aireNieveCristales complejos de hieloGranizoPrecipitación en forma bolas o formas irregulares de hieloDiámetro entre 5 y 125 mm
Precipitación es la fuente primaria del agua de la
superficie terrestre
Origen de la precipitación
El origen de precipitación, se asume principalmente gracias a dos fenómenos:
1. Unión de gotas
2. Engrosamiento de la gota por fusión y condensación con otras (coalescencia)
CLASIFICACIÓN DE LA PRECIPITACIÓN
Atendiendo al factor que provoca la elevación del aire en la atmósfera, la
precipitación se clasifica en:
A. ConvectivaB. Orográfica C. Ciclónica
• Propias de tiempo caluroso y de regiones tropicales
• Son acompañadas de rayos y truenos
• La precipitación se da por los siguientes procesos: Evaporación Elevación por convección Enfriamiento por ascenso (gradiente)
- Adiabático seco (1° C /100m)- Adiabático húmedo o saturado (0.5°C /100m)
• Las masas de vapor acumulado forman las llamadas Células de Convección.
A. PRECIPITACIÓN CONVECTIVA
B. PRECIPITACIÓN OROGRÁFICA
• La precipitación se da por los siguientes procesos:
EvaporaciónEmpuje del vapor hacia las
montañasEnfriamiento por ascenso a
lo largo de la montañaCondensación y
Precipitación
• La precipitación se da por los siguientes procesos:Choque de dos masas con
diferente temperatura y humedad
Nubes mas calientes impulsadas a las partes altas
Condensación y Precipitación
• Están asociadas con el paso de ciclones o zonas de baja presión.
C. PRECIPITACIÓN CICLÓNICA
Estudios realizados en Puerto Rico, (Larsen y Simmon, 1992) encontraron que la intensidad de lluvia (mm/h) que produce deslizamiento depende de la duración de la misma (D horas), según la expresión: I = 91.46 D-0.82
De acuerdo a la investigación, en tormentas que tienen duraciones de hasta 10 horas, los deslizamientos no ocurren hasta que la intensidad alcanza valores tan altos como de dos a tres veces (10 horas) la intensidad.
AGUA SUPERFICIAL Y SUBTERRÁNEA CON RELACIÓN A LA ESTABILIDAD DE TALUDES
AGUA SUPERFICIAL
AGUA SUBTERRÁNEA
Es la proporción de precipitación que fluye superficialmente sobre el suelo. Esta energía, que se concentra en corrientes de agua, generalmente actúa como un detonante en taludes inestables y producen deslizamientos.
Durante el escurrimiento superficial, se produce infiltracion y percolación de agua en el suelo y subsuelo, constituyendo las aguas subterráneas (agua freática que forman los acuíferos).
El agua subterránea
afecta la estabilidad del
talud de acuerdo a los siguientes
mecanismos básicos:
Presiones de poros
Disminución o eliminación de las presiones de poros negativos por saturación
Lavado de cementantes
Erosión interna
Aumento de densidad
Fuerzas dinámicas
Otros mecanismos: como las grietas Otros mecanismos: las rocas, y la supresiones de las capas impermeables
Presiones de poros1. Es la presión interna del agua al saturarse en el suelo2. Tendrá mayor o menor presión de poros, según los niveles
freáticos, tipos de acuíferos y las características geológicas 3. El valor se mide utilizando piezómetrosDisminución o eliminación de las presiones de poros, negativas por saturación 1. Al saturarse un suelo disminuyen las tensiones capilares o
presiones negativas (aniones con cargas negativas) disminuyendo la resistencia
2. La resistencia de un suelo puede variar de un máximo al final de la época seca, a un mínimo durante la época de lluvia y es por eso que posterior a una gran lluvia ocurren los deslizamientos
Lavado de cementantes1. El agua subterránea puede eliminar del talud los
cementantes solubles, consiguientemente empobrecer la cohesión y el coeficiente de fricción interna
Erosión interna1. El movimiento del agua subterránea elimina la arena fina y
partículas sueltas de las cavidades subterráneas del talud, debilitando así su estabilidad
Aumento de densidad1. La presencia de humedad aumenta la densidad o peso de
los materiales de suelo, provocando mayor presión
Fuerzas dinámicas1. Agua subterránea ejerce fuerzas sobre el suelo en la
dirección del flujo2. Para calcular la fuerza de las corrientes de agua se requiere
dibujar la red de flujo subterráneo3. Esta fuerza actúa como un elemento desestabilizante en la
masa del sueloOtros mecanismos1. Como las grietas en las rocas, y la supresiones (eliminación)
de las capas impermeables (disminuyendo la resistencia del suelo)
Se mide en función de la altura de la lámina de agua que cae por unidad de áreaSihp= 1mm Entonces:Volumen= 0.001 m3
o igual a 1 litro
hp
Area = 1 m2
MEDICIÓN DE LA PRECIPITACIÓN
Pluviómetro Aparato destinado a medir la
cantidad de agua caída, expresada a través de la cantidad de litros o milímetros caídos por metro cuadrado
Cualquier recipiente de boca ancha, cuya superficie sea conocida puede servir como pluviómetro; para efectuar las medidas, se utilizará una probeta graduada que dará los cc. de precipitación caídos en el pluviómetro
El pluviómetro tipo Hellmann es el instrumento meteorológico más generalizado
20 cm Φ
Estaciones automáticas Registran parámetros
hasta cada minuto Bajo costo Pueden ontenerse los
datos en tiempo real Proceso se hace
mediante un programa especializado
Los métodos pueden ser utilizados para calcular precipitación media anual o de una tormentaMetodologías:
Promedio aritméticoPolígonos de ThiessenIsoyetas
CALCULO DE LA PRECIPITACIÓN MEDIA SOBRE UNA ZONA (SITIO)
• Promedio aritmético, de las alturas de precipitaciones registradas, de las estaciones localizadas dentro de la zona
• Precisión depende de:Cantidad de estacionesDistribución de estacionesDistribución de lluvias
• Es un método bueno si hay un gran número de pluviómetros
a) Promedio aritmético
b) Polígonos de Thiessen
• Se necesita conocer la localización de las estaciones dentro y fuera del área de estudio
• Este método se puede utilizare en el laboratorio utilizando SIG
c) Isoyetas
• Se necesita de un mapa de isoyetas para el área de estudio
• Este era el método más exacto
• Se necesita un buen criterio para el trazado de las isoyetas (líneas de igual precipitación)
• Precipitación orográfica sigue el patrón de curvas a nivel
d) Interpolación espacial (SIG)
La interpolación es necesaria:• Cuando los datos no cubren
toda la región de interés de estudio (datos de estaciones meteorológicas)
• Métodos Inverso de la distancia ponderada
(IDW) Spline Kriging Otros
Tormenta: conjunto de lluvias que obedecen a una misma perturbación meteorológica y de características bien definidas.
ESTUDIO DE UNA TORMENTA
El análisis de las tormentas, está íntimamente relacionado con los cálculos o estudios previos, al diseño de obras de ingeniería hidráulica, como son:
• Estudio de drenaje: estimación de caudales máximo• Conservación de suelos• Cálculo del diámetro de alcantarillas
Intensidad• Cantidad de H2O caída por unidad de tiempo• Lo más importante es la intensidad máxima• La intensidad se expresa así:
Imax = P / tdonde:Imax= intensidad máxima en mm/horaP = precipitación en altura de agua, en mmt = tiempo, en horas
Dentro de los elementos fundamentales del análisis de las tormentas, hay que considerar:
Duración
• Tiempo entre el comienzo y el fin de la tormenta.• Período de duración (PD) = un determinado
período de tiempo, tomado en minutos u horas, dentro del total de la tormenta.• El PD tiene importancia en la determinación de
intensidades máximas.• Tanto la intensidad como la duración se obtienen
del pluviograma.
Frecuencia (f)• No. de veces que se repite una tormenta de características de
intensidad y duración, definidas en un período de tiempo expresado en años
Tiempo de retorno (Tr)• Intervalo de tiempo promedio, dentro del cual un evento de
magnitud X puede ser igualado o excedido por lo menos una vez en promedio• Es el inverso de la frecuencia• Se representa como: Tr = 1/f
Ejemplo, para una localidad de San Salvador, se presentó una tormenta de intensidad máxima igual a 60 mm/hr, para una duración de 30 min., y un período de retorno de 10 años
EL HIETOGRAMA Y LA CURVA DE MASA DE PRECIPITACIÓN
Mediante el hietograma es fácil expresar a qué hora, la precipitación adquirió su máxima intensidad y cuál fue el valor de ésta• Matemáticamente este gráfico, está representado
por la relación:
Donde: i = intensidad; P = precipitación; y t = tiempo
En relación a la curva masa de precipitación, representa la precipitación acumulada en relación al tiempo
Se extrae directamente del registro del pluviograma
La curva masa de precipitación, es una curva no decreciente, donde la pendiente de la tangente en cualquier punto, representa la intensidad instantánea en ese tiempo
A. PROCESO PARA EL ANÁLISIS DE UNA TORMENTA REGISTRADA POR UN
PLUVIOGRAMA1) Conseguir el registro de un pluviograma2) Realizar una tabulación con la información obtenida del
pluviograma, en forma similar a la mostrada en la tabla de la diapositiva siguiente, donde sus columnas son:
(1) Hora: se anota las horas en que cambia la intensidad, se reconoce por el cambio de la pendiente, de la línea que marca la precipitación(2) Intervalo de tiempo: es el intervalo de tiempo entre las horas de la columna (1)(3) Tiempo acumulado: es la suma sucesiva de los tiempos parciales de la columna (2)(4) Lluvia parcial: es la lluvia caída en cada intervalo de tiempo(5) Lluvia acumulada: es la suma de las lluvias parciales de la columna (4)(6) Intensidad: es la altura de precipitación referida a una hora de duración, para cada intervalo de tiempo
Su cálculo se realiza mediante una regla de tres simple, obteniéndose:
3. Dibujar el hietograma, esto se consigue ploteando las columnas (3) vs (6)
4. El hietograma permite apreciar objetivamente como varía la intensidad durante la tormenta
5. Dibujar la curva masa de precipitaciones, esto se consigue ploteando las columnas (3) vs (5)
6. Finalmente se calcula la intensidad máxima para diferentes períodos de duración. Los períodos de duración más utilizados son: 10, 30, 60, 90, 120 y 240 min
Ejemplo:
Calculo de Intensidades Máximas
I max = 6 mm/hEs la misma intensidad para los valores que son menores a una hora
Imax10 min= 6 mm/hImax30 min= 6 mm/h
Duraciones de más de 60 minutos
Imax90 min=
Duraciones de más de 60 minutosImax120 min=
A mayor período de duración menor intensidad máxima
B. ANÁLISIS DE FRECUENCIA DE LAS TORMENTAS
Para el análisis de las frecuencias de las tormentas, hacer lo siguiente:1. Analizar todas las tormentas
caídas en el lugar, siguiendo el proceso ya indicado, es decir, para cada tormenta hallar la intensidad máxima, para diferentes duraciones
2. Tabular los resultados en orden cronológico, tomando la intensidad mayor de cada año para cada período de duración (10, 30, 60, 120 y 240 min), en una tabla similar a la mostrada
3. Ordenar en forma decreciente e independiente del tiempo, los valores de las intensidades máximas correspondientes a cada uno de los períodos de duración. Para cada valor, calcular su período de retorno utilizando la fórmula de Weibull:
4. Construir las curvas intensidad - duración - período de retorno (i- d-T). Para la elaboración de estas curvas, hacer lo siguiente:• Trazar los ejes de coordenadas;
en el eje X, colocar las duraciones (en min), mientras que en el eje Y, colocar los valores de las intensidades (en mm/hr)• Para un período de retorno T (en
años) ubicar los pares (duración, intensidad), para ese período de retorno T• Trazar una curva que una los
puntos (duración, intensidad).• Repetir los dos últimos pasos
para otros valores de T
Calcular la intensidad máximapara una duración de 60 minutos
y un período de retorno de 10 años
INFILTRACIÓN
La infiltración es el proceso por el cual el agua en la superficie de la tierra entra en el suelo. Si la tasa de precipitación excede la tasa de infiltración, se producirá escorrentía
La infiltración está gobernada por dos fuerzas: la gravedad y la acción capilar
En lo concerniente a la infiltracion, es importe tener presente el ciclo hidrológico:
Esquema del ciclo hidrológico
Gracias