Sistemas flexibles AVA como estructura lineal estabilizadora del manto nivoso para la gestión del riesgo derivado de aludes de nieve

El manto nivoso es un cuerpo heterogéneo, con acumulación discontinua de capas de espesor diverso, separadas por superficies definidas, no necesariamente paralelas. Desde su depósito, hasta su desaparición por fusión, la nieve sufre transformaciones continuas, y con ello sus propiedades resistentes. Las transformaciones son de tipo mecánico o de tipo térmico en nieve seca o húmeda. En nieve húmeda se pueden producir procesos de fusión-recristalización en superficie (costras), transporte de agua líquida en profundidad, y formación de capas de hielo, sobre el suelo o en la masa de hielo. El agua puede ser proporcionada por la superficie del manto nivoso (temperatura atmosférica y radiación solar) o por lluvia.

El resultado final es un manto nivoso cuyas propiedades internas pueden ser muy heterogéneas, evolución rápida y asentado sobre superficies inclinadas de naturaleza diversa, rozamiento distinto y orientación con respecto a la insolación específico para cada zona, pero distinto en función de la época del año.

Existen varios criterios de clasificación (fig.1), de forma genérica se definen tres tipos:

Aludes de nieve reciente o de nieve polvo: Son los que se producen durante la nevada o poco después. Cuando la inclinación y la longitud son suficientes, la nieve seca, ligera y poco coherente se desplaza en forma de aerosol (mezcla de la nieve y aire) a velocidades que pueden superar los 200 km/h. El desencadenamiento se produce por sobrecarga o por aumento de temperatura durante la nevada o poco después. Los daños se producen por la sobrepresión (onda de viento) que precede a la masa de nieve y por el impacto de ésta en las estructuras. Puede arrasar bosques, casas, remontar laderas y originar la muerte por asfixia. Son muy destructivos.

Aludes de placa: Son los de nieve antigua, constituidas por nieve compacta y con buena cohesión interna pero débilmente adheridas a la subcapa o a la superficie del terreno sobre las que reposan. El espesor de las capas desprendidas puede ser de varios metros y el fenómeno desencadenante puede ser la sobrecarga debida al peso de la nieve fresca o al paso de un esquiador o de un montañero. La velocidad de desplazamiento puede superar los 100 km/h. En áreas determinadas estas placas se forman por la acción del viento con velocidades superiores a 25 km/h.

Aludes de fusión: Son los producidos a finales de invierno y en primavera cuando aumenta el contenido de agua del manto nival. Son de nieve pesada y húmeda. Su trayectoria se adapta al relieve del terreno y son muy erosivos arrastrando cuanto encuentran a su paso, a velocidades de hasta 60 km/h. Cuando se desliza todo el espesor del manto hasta el suelo, arrastrando consigo tierra, lodo, rocas, árboles, etc. se denominan aludes de fondo.

Todos los datos sobre la estabilidad de la nieve resultan potencialmente útiles, pero algunos son más importantes que otros [7]. Su utilidad está relacionada con la importancia que tengan los datos sobre el fallo de placas y su facilidad de interpretación. Se podrían diferenciar los factores en tres grupos:

1. Meteorológicos, que incluyen la precipitación, el viento, la temperatura y la radiación solar.
2. Del manto nivoso, que incluyen la debilidad del manto y las cargas que actúan sobre él.
3. De estabilidad, tales como la relación entre la componente de una carga paralela a la pendiente que actúa en una zona débil y la resistencia.

El conocimiento de estos factores deja menor margen a la incertidumbre y permite una predicción útil para la habitabilidad de las zonas expuestas al riesgo de avalanchas. Las actividades que ocupan estas zonas de exposición a las avalanchas son importantes fuentes de ingresos en el período invernal, pero tienen que soportar cada vez más los costes propios de los daños a la propiedad, los costes por gastos de protección, los estudios de viabilidad conectados a la planificación del uso de la tierra, las crecientes tarifas de los seguros de riesgo para las compañías que operan con helicópteros, aparatos de montaña, zonas residenciales, y áreas de esquí.

Además, hay que sumarle los costes que suponen los largos bloqueos en carreteras, ferrocarriles y estaciones de esquí durante periodos de alto riesgo o durante operaciones de control de avalanchas. La incertidumbre y la complejidad de los pronósticos y de los mecanismos de control, son a veces responsables de cierres que pueden durar días.

También, todavía existen mecanismos de control que incluyen el uso de explosivos [5], tendente a desaparecer para uso cotidiano pero muy habitual en las estaciones invernales, y que generan un riesgo no controlado en cuanto a la dimensión de la zona de afección, ampliación del riesgo a áreas colindantes de riesgo menor, y un coste y riesgo por habilitación de polvorines donde albergar los explosivos en las estaciones.

Estos tipos de protecciones presuntamente son muy fiables pero de coste elevado y es básicamente por este motivo que no se utilizan de forma generalizada. Hay que definir con mucha claridad esa zona imprescindible de protección. Estos sistemas permiten la circulación por encima del techo de la estructura de la avalancha en su trayectoria.

Este sistema en general funciona muy bien para proteger zonas contra aludes de nieve densa pues la nieve circula por la máxima pendiente a poca velocidad (como un fluido viscoso). Por el contrario, su resultado es controvertido cuando se trata de proteger la carretera frente a aludes de nieve polvo pues el ancho de la avalancha puede ser muy grande (más que la zona protegida) y la energía de un potencial impacto contra el techo de la protección es muy grande. Simulación realizada con ordenador [1] de la imagen de este tipo de protección en una ladera de la carretera BV-4024 demarcación de Barcelona (fig. 2).


La foto de la figura 3 izquierda, se corresponde con una maqueta virtual que ilustra el aspecto de este tipo de protecciones emplazadas en un ambiente absolutamente invernal. El objetivo es garantizar el tráfico de vehículos a la vez que permite el paso de los aludes.


Este tipo de protecciones permiten evitar la exposición a la trayectoria y efecto del impacto del alud. El funcionamiento de este sistema no depende de la calidad de la nieve, ni del tipo de alud posible, permite detener y conducir desprendimientos de rocas asociados a la fusión de la nieve durante la primavera y caídas de bloques de mayor entidad en verano (fig.4).

El diseño de este tipo de estructuras a un precio aceptable supone un cálculo detallado de todos los parámetros que afectan en el desarrollo del alud, volumen o masa potencial a movilizar, pendiente por donde discurre, velocidad y finalmente energía de un posible impacto sobre la estructura construida. Las componentes derivadas de este impacto, carga dinámica y carga estática por acumulación requieren de un estudio cuidadoso.

Para evitar la generación de los aludes [10], en los casos posibles, se realiza la estabilización del manto nivoso en la coronación del monte, para ello se emplean las siguientes soluciones tipo: puentes, rastrillos (fig. 5) y barreras flexibles de acero (fig. 6 y 7).

Existen además unos dispositivos de esta misma familia denominados ‘snowgrippers’ (fig.8), que en general se disponen en forma de tresbolillo. Estos dispositivos pueden utilizarse por sí solos o en combinación con los sistemas tradicionales de protección de aludes. Cuando se utilizan solos, tienen la tarea del incremento de la seguridad en las tareas de reforestación de áreas protegidas y la protección de zonas de riesgo de aludes.

Cuando se utiliza en combinación con las barreras tradicionales de prevención (puentes de nieve de acero y redes de acero) ayudan a evitar los indeseados rellenos entre las filas de las estructuras. Ayudan además a suavizar el impacto de la nieve en las zonas críticas periféricas. Esto significa que la función de protección de las redes flexibles puede ser mejorada y ampliada.

El objetivo de todas es la fijación del manto nivoso en cualquier condición invernal, impidiendo que se desencadene el alud. Por lo tanto, se colocan en la zona de generación, generalmente en la parte alta de las laderas.

La única norma existente en Europa [3] para el diseño de barreras flexibles antialudes es la suiza ‘Defense structures in avalanche starting zone. Technical Guideline’. FOEN/ WSL Bern (2007), por lo tanto, debe seguirse rigurosamente para lograr una protección eficiente.

Se trata de una protección construida en diferentes hileras consecutivas, iniciando en la parte más alta y en sentido descendente de cota hasta cubrir la totalidad de la zona de arranque del alud, evitando que se genere el alud.

El sistema es flexible y transmite la carga/peso de la nieve parcialmente de forma compresiva sobre el terreno con micropilotes (o similar) y la componente a tracción la transmite mediante anclajes flexibles de cable. Son sistemas de bajo mantenimiento, gran fiabilidad y altamente probados.

Este tipo de protecciones permite contener el manto nivoso desde las primeras nevadas de otoño hasta las últimas y densas nieves de primavera, sin depender su funcionamiento de la calidad de la nieve y tipo de alud, aunque sí debe haberse dimensionado considerando las características nivosas extremas.

Los sistemas formados a partir de redes de cable espiral Spider [8] permiten la contención del manto nivoso en la zona de generación y suponen un control permanente. Esta solución permite reducir el riesgo en todos sus aspectos puesto que el alud no llega a generarse e incrementamos el nivel de seguridad de las infraestructuras o instalaciones. El sistema Geobrugg va más allá de otros mecanismos de desviación o frenado, que presentan un grado de incertidumbre muy importante ante cada avalancha y donde la seguridad queda en entredicho cuando la masa de la avalancha es mayor de la esperada y afecta áreas colindantes.

En general los sistemas de contención han evolucionado notablemente durante la segunda mitad del siglo XX, pasando de estructuras rígidas de madera, hormigón, y barras metálicas hasta llegar a las barreras flexibles formadas por cables de acero desarrolladas por Geobrugg y que suponen actualmente la tecnología más avanzada en la prevención de aludes. Estas estructuras previenen la generación de avalanchas en las zonas de comienzo, evitan la propagación de la fractura y el volumen de la nieve, produciendo una discontinuidad en la cobertura nivosa, a la vez que posibilitan detener pequeñas avalanchas impidiendo que vayan ganando dimensiones.

Se construyen en hileras continuas (fig. 9) sobre la totalidad del ancho generador y la longitud de la zona de comienzo de las avalanchas. La distancia entre filas o hileras está en función de la inclinación de la ladera y de la profundidad de la nieve. Estas estructuras deben tener una altura al menos igual al espesor de nieve esperado para un período de retorno de 100 años. Este valor se estima no supera los 5 m.

5.1.- Esfuerzos del manto de nieve sobre la estructura

Los esfuerzos provocados sobre estructuras producto de la interrupción de la reptación y deslizamiento dependen de las condiciones del manto, la interfaz entre la nieve y el terreno, y también la inclinación de la pendiente (fig. 10). Una expresión ampliamente utilizada hasta la fecha en el diseño de estructuras (rígidas) es la recomendada por la norma suiza [3] en la ecuación:

S_N = 𝛾. g. ½. D². K. N

donde S_N es el esfuerzo paralelo al terreno sobre estructura (kN/m); 𝛾 es la densidad del manto (kg/m³); g es la aceleración de gravedad (m/s²); D es la profundidad de la nieve medida verticalmente (m); y K y N son los factores de reptación y deslizamiento, respectivamente (adimensionales).

El valor del factor de reptación K se obtiene en función de la densidad del manto de nieve y la inclinación de la pendiente del terreno. El valor del factor de deslizamiento N depende de las condiciones de rugosidad del terreno y la exposición solar geográfica de la pendiente. En el caso del cálculo de presiones sobre una estructura flexible (red espiral de acero), ésta se puede estimar mediante la ecuación:

S_N = D_K². N. fc. fs

donde D_K es la altura de la estructura medida verticalmente (m); fc es el factor de altitud (s.n.m. adimensional) y fs es el factor reductor de presiones (adimensional).

Espesor de nieve (D_k) es posiblemente el elemento más complicado para dimensionar el sistema de barreras, ya que normalmente no se cuenta con observaciones a largo plazo. Como consecuencia hay que recurrir a la experiencia de otros emplazamientos y su interpolación para el proyecto en cuestión.

Exposición y el tipo de terreno, relacionado con la situación de la ladera permiten realizar la previsión de comportamiento ante el efecto de la fusión y metamorfosis de la nieve. Los parámetros sobre la exposición y cimentación condicionan un valor N (Tabla 1).

Factor de altura (fc) es un término que se refiere a la diferencia de densidad de la nieve por el efecto de la altura. Según Normativa este factor es para alturas de 2.000 m de 1,1.

Inclinación de la ladera (φ) en general resulta ser desigual, importante su estimación utilizando para los cálculos valores medios, casi nunca superiores a los 55°.

Densidad de la nieve (𝛾) muy variable en un mismo emplazamiento y complejo de estimar, dependiente de las condiciones atmosféricas puntuales, los valores medios suelen estar sobre los 3 kN/m³.

Espaciado de líneas (L). Se denomina espaciado a la distancia medida sobre el terreno entre dos líneas de protección inmediatas. Este espaciado será según normativa y considerando los datos Dk, N, inclinación y tg φ (fig. 11). En el caso en que la irregularidad del terreno obligue al seccionamiento de la línea de protección, la distancia entre tramos contiguos no deberá ser superior a 2 m. En caso contrario se considerarán dos tramos de barrera independientes con sus consecuentes condicionantes y consideraciones de montaje, que deberá conocer y aplicar el instalador.

La fabricación estandarizada permite un diseño de aplicación cómodo para el proyectista conocedor de los factores de estabilidad. El montaje modular permite alcanzar una muy alta eficiencia en el proceso de montaje (sencillez, rapidez y comodidad), incluso en áreas de compleja accesibilidad, mediante un dispositivo diseñado para el transporte mediante helicóptero y un detallado manual de montaje a partir del suministro aéreo.

5.2.- Componentes principales

El sistema está constituido por una infraestructura de postes y cables de acero, cerrada por redes de cable de acero espiral tipo Spider net (fig. 12). Los cables unen las redes y las soportan a los postes, a la vez que garantizan la transmisión de las cargas mediante los anclajes al terreno (fig.13).

La estructura modular ligera de los sistemas antialudes Geobrugg [10] permite su aplicación en cualquier ambiente natural, puesto que su aspecto, aún y sin la presencia de la nieve, es totalmente discreto e inofensivo para el medio ambiente (fig. 14).

5.3.- Importancia del diseño y comprobación de los anclajes

Es clave del éxito de las infraestructuras construidas el correcto dimensionamiento de los anclajes de cable para que soporte los esfuerzos a tracción en cada una de 5 posiciones clave de la estructura señaladas en rojo y 2 posiciones importantes a compresión en azul (fig. 15).

Fig. 15 Ejemplo de puntos clave de trasmision de las solicitaciones al terreno.

La experiencia acumulada en Europa, pero especialmente en los Alpes Suizos ha evidenciado la importancia del correcto dimensionamiento de acuerdo con criterios geotécnicos [2, 11] y la mejor ejecución, para que este tipo de anclajes direccionales puedan soportar las enormes solicitaciones a tracción sin verse influenciados por la reducción de diámetro del cable y su consiguiente fallo por arranque (tabla 2 y fig. 16).

Desde el año 1999 en que se instalaron las primeras protecciones flexibles tipo GL, en la zona de Comials del Port de la Bonaigua (Lérida), como elemento para la estabilización del manto nival, de acuerdo a criterio técnico experto local y dimensionamiento de acuerdo con la Normativa Suiza, en los Pirineos, han sido más de 8 km de estos sistemas, incluyendo el más avanzado y moderno, el Spider AVA, que de forma ininterrumpida han soportado las cargas estáticas de la acumulación de nieve, fuerzas dinámicas de ‘creep’ por reptación del suelo y/o del propio manto de nieve, las que han interceptado caídas de rocas en invierno y en verano, las que han sufrido fatiga por esfuerzos direccionados y racheados del viento, empujes laterales por deslizamiento del manto contiguo no estabilizado, y todo ello con escaso y en muchos casos nulo mantenimiento.

A continuación una descripción fotográfica cronológica de los principales emplazamientos en los que se encuentra ubicados estos exitosos sistemas flexibles.

Tras la experiencia acumulada en los Pirineos han sido muchos otros lugares del mundo (fig. 17) que se han nutrido del basto bagaje y han implementado estas mismas estructuras, pero no sin ello incorporar nuevos ensayos para mejorar las prestaciones y funcionalidad para adecuarlas a condiciones más críticas si cabe.

Así actualmente se realiza ensayo a escala natural con un bloque de masa 3.200 kg lanzado a una velocidad de 17,7m/s para probar la eficacia de la protección frente a impactos dinámicos producidos por rocas [4, 6], ensayos de carga permanente por acumulación forzada y completa de nieve, a la vez que se ha optimizado el diseño para aligerar el peso y así facilitar el transporte e instalación con helicóptero.

Referencias

[1] Barriendos, M. (2008) La contribución de las fuentes documentales en el conocimiento de eventos meteorológicos extremos relacionados con la alta montaña. Universidad de Barcelona (2008).

[2] FOEN (2021). Typenliste Lawinenverbauungen. Bern, Switzerland

[3] FOEN / WSL (2007) Defense structures in avalanche starting zone. Technical Guideline. Bern, Suiza

[4] Gerber, W. (2001). Guideline for the approval of rockfall protection kits. Swiss Agency for the Environment, Forests and Landscape (SAEFL) and the Swiss federal Research Institute. WSL. Berne

[5] Gubler, H. (2000) Remote avalanche warning-, alarm- and control systems, fundamentals, applications, and experience. Davos. Switzerland.

[6] Gerber, W. (2001). Guideline for the approval of rockfall protection kits. Swiss Agency for the Environment, Forests and Landscape (SAEFL) and the Swiss Federal Research Institute. WSL. Berne

[7] López Jimeno, C. (2008) actuaciones preventivas y protocolo de actuaciones en las carreteras de los pirineos aragoneses. Ministerio de Fomento.

[8] Raïmat, C. y Luis-Fonseca, R. (2008) Protecciones activas de contención mediante barreras antialudes flexibles, en la cabecera del torrente de Estiviellas, en el monte denominado ‘Los Arañones’ en el término municipal de Canfranc.

[9] WSL (1988-2007) Estudios de campo. Instituto Federal de Investigaciones de Bosques, Nieves y Paisajes, Suiza.

[10] Luis-Fonseca, R. (2010) Aplicación de membranas flexibles para la prevención de riesgos Naturales, Madrid

[11] Luis-Fonseca, R. y Roduner, A. (2022) Necesidad de utilizar un procedimiento estandarizado para el diseño de los sistemas anclados para la estabilización de taludes, compuestos por revestimientos flexibles de altas prestaciones (DEE 230025-00-0106)