Estabilidad

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Un estudio preliminar de los modelos reológicos para la modelización de la distancia de salida de los residuos arcillosos sensibles.

RESUMEN:

La estimación del alcance de los movimientos posteriores a la falla es vital en el contexto de la cartografía de riesgos, la preparación y las estrategias de mitigación. La práctica actual se limita a enfoques empíricos simplificados que se atribuyen principalmente a la escasa comprensión de los mecanismos asociados a los movimientos posteriores al derrumbe de escombros arcillosos sensibles. En este trabajo, se ha adoptado una herramienta numérica 3D utilizada principalmente para el análisis dinámico de deslizamientos rápidos y avalanchas de rocas (DAN) para realizar un estudio preliminar sobre la modelización del run-out de los escombros arcillosos sensibles. Para ello, se utiliza un caso reciente de deslizamiento de flujo en Noruega como referencia para evaluar las predicciones numéricas. Los resultados se discuten a la luz de los datos de campo de un deslizamiento de flujo de arcilla sensible.

1 ANTECEDENTES

El deslizamiento de flujos en los depósitos de arcillas sensibles de Escandinavia es un riesgo geológico bien conocido. En consecuencia, la retrogresión y el escurrimiento de los restos de arcillas sensibles suponen un grave riesgo para las vidas humanas, las infraestructuras y los ecosistemas sensibles dentro de su ámbito (Figura 1). Por lo tanto, la predicción precisa del comportamiento del deslizamiento, incluyendo la distancia de retroceso, la longitud de escurrimiento y la velocidad del flujo, es esencial para la evaluación del riesgo. Aunque la estimación de la retrogresión de los deslizamientos en arcillas sensibles ha recibido una atención considerable, un método numérico apropiado para investigar el run-out de los escombros de arcilla sensibles sigue siendo un tema de investigación.

2 PRESENTACIONES

Diversa literatura, por ejemplo, Mitchell y Markell (1974); Corominas (1996); Rickenmann (1999); Fell et al.

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Figura 1. Desplazamiento de restos de arcilla sensibles (Thakur y Degago, 2014).

(2000); Fannin & Wise (2001); Legros (2002); Vaunat & Leroueil (2002); Bathurst et al. (2003); Crosta et al. (2003); Hungr 2005; Locat & Lee (2005); L'Heureux (2012); Thakur & Degago (2013) proponen varias relaciones analíticas y empíricas para estimar la retrogresión y las distancias de salida. Thakur et al. (2014) presentan un resumen exhaustivo de varios enfoques adoptados para la estimación de las distancias de escurrimiento basados en aspectos geométricos y en parámetros individuales del suelo, tales como la resistencia al cizallamiento, el índice de liquidez, la rapidez y la sensibilidad del suelo. Los autores destacaron el éxito limitado de las correlaciones empíricas derivadas de un parámetro individual y abogaron por el uso de enfoques integrados que tengan en cuenta una amplia gama de parámetros geotécnicos. La modelización numérica de la distancia de escurrimiento de los escombros arcillosos sensibles ha recibido hasta ahora muy poca atención. En el pasado se han desarrollado diferentes enfoques y métodos para un análisis cuantitativo del riesgo utilizando modelos dinámicos de escorrentía para flujos de escombros y avalanchas. Algunos de los modelos comúnmente utilizados para estimar las distancias de escurrimiento son los modelos numéricos casi bidimensionales (por ejemplo, BING (Imran et al. 2001) y NIS (Norem et al. 1987)) y los modelos casi tridimensionales (por ejemplo, DAN3D (Hungr 1995; McDougall & Hungr, 2004), MassMov2D (Beguería et al. 2009), LS-RAIPD (Sassa 1988) y RAMMS (Christen et al. 2002). Sin embargo, ninguna de estas herramientas se ha desarrollado específicamente para la estimación de la distancia de salida de los restos de arcilla sensibles. Esto puede atribuirse, entre otros factores, a un conocimiento insuficiente del complejo comportamiento reológico de las arcillas sensibles

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Figura 2. Concepto de fluido equivalente en DAN3D (Hungr, 1995)

de escombros. En consecuencia, como primer paso, sería lógico centrarse en la reología de los residuos arcillosos sensibles utilizando las herramientas numéricas existentes y disponibles antes de dirigirse a una herramienta numérica totalmente nueva para modelizar el run-out de este tipo de material. Existen varios modelos reológicos, en las herramientas numéricas mencionadas anteriormente, para la modelización del run-out. Teniendo esto en cuenta, este trabajo presenta un estudio muy preliminar relacionado con la modelización del run-out de escombros de arcilla sensibles bajo diferentes configuraciones reológicas. Para ello se ha elegido DAN3D. Se han estudiado cuatro modelos reológicos basales diferentes, es decir, la reología plástica, la reología de Bingham, la reología de fricción y la reología de Voellmy, utilizando un caso real de Noruega. El caso se ha vuelto a calcular utilizando varios conjuntos de parámetros de entrada. Se discute la idoneidad de estos modelos reológicos y de sus parámetros de entrada en la modelización de escombros de arcilla sensibles.

3 DAN3D: BREVE INTRODUCCIÓN Y PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO

El Análisis Dinámico de Deslizamientos de Tierra (DAN) en 3D, también conocido como DAN3D, ha sido desarrollado progresivamente por Hungr (1995), McDougall & Hungr (2004), McDougall (2006),DAN3D está diseñado para predecir la velocidad y la extensión del movimiento de los deslizamientos de tierra rápidos, tales como flujos de escombros y avalanchas, deslizamientos de flujo y avalanchas de roca. El software ha sido ampliamente probado por varios investigadores para diferentes tipos de deslizamiento de tierra, excepto para el deslizamiento de arcilla sensible. El origen y la descripción de DAN3D pueden encontrarse en Hungr (1995), McDougall & Hungr (2004), McDougall (2006). En la siguiente sección se ofrece una breve información sobre el software. La versión de DAN3D utilizada en este estudio fue amablemente facilitada por el profesor Oldrich Hungr para su uso en la investigación.

3.1 Análisis dinámico de deslizamientos en 3D (DAN3D)

DAN3D utiliza un enfoque semiempírico basado en el concepto de "fluido equivalente" (véase la figura 2), según la definición de Hungr (1995). El material heterogéneo y complejo del deslizamiento se modela como un material hipotético, que se rige por relaciones reológicas internas y basales simples. Se supone que la reología interna es de fricción y se rige por un parámetro, el ángulo de fricción interna, ϕi. En cambio, no se impone una única reología basal. En cambio, para permitir la simulación de diferentes tipos de deslizamientos rápidos que involucran diferentes materiales geológicos, se puede implementar una variedad de relaciones reológicas basales en DAN3D, incluyendo reologías laminares, turbulentas, plásticas, Bingham, friccionales y Voellmy. El usuario puede cambiar la reología basal a lo largo de la trayectoria o dentro de la masa de deslizamiento. Se anima a los lectores a consultar la tesis doctoral de McDougall de 2006 para obtener información completa sobre el programa DAN3D, sus ecuaciones gobernantes y el método de solución numérica correspondiente.

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