Caso de estudio carretera C13 Pk 138+800, Lérida

Gestión inmediata de una emergencia mediante herramientas avanzadas de simulación en 3D

Carles Raïmat Quintana^a. Dr. Ing. Geología

Tomás Ramos Retuerto^b. Ing. Minas

Raúl Demarini^c. Ing. Civil, Estructuras y Geotecnia

José Luís Lacruz Allue^d. Ing. Caminos, Canales y Puertos

Baltasar Rullán Marqués^d. Ing. Caminos, Canales y Puertos

^aGeobrugg, ^bProyecto Raymar, ^cRocscience, ^dGenCat

25/04/2022

La gestión de infraestructuras en materia de riesgos está creciendo a nivel mundial con el incremento de nuevas técnicas de reconocimiento-inspección, topografía y cálculo, así como software específico, sofisticado y muy resolutivo. Los técnicos involucrados en esta materia suelen trabajar en gabinetes multidisciplinares con especialistas con formación específica donde la geotécnica, la informática y la IoT comparten a partes iguales.

1.- Introducción

La obtención de datos objetivos y el análisis experto para la determinación del riesgo de inestabilidad en laderas naturales o construidas, es el único método capaz de permitir anticipar acciones mitigadoras y de ese modo ser de facto gestores eficaces de la planificación del territorio y de sus infraestructuras.

La tarea presenta un desafío logístico significativo y, en la actualidad, parece depender principalmente de inspecciones periódicas del sitio para identificar signos de movimiento y la necesidad de trabajos de mantenimiento, más que de prevención. Este enfoque plantea la cuestión de si los análisis de estabilidad de taludes son factibles como una herramienta de detección rápida para mejorar la comprensión de los posibles peligros de inestabilidad de taludes y ayudar a informar la toma de decisiones proactiva.

En este contexto, este artículo pretende mostrar un ejemplo sobre la base de una emergencia ocasionada por el corte de la arteria principal de acceso al fondo de la Comarca del Pallars Sobirá, en Lérida, la carretera C-13. Por esta ruta, se accede a las estaciones de esquí de Espot, Port Ainé y el Valle de Arán.

El día 26 de diciembre de 2019 en el Pk 138+800 tuvo que ser cortada en los dos sentidos de la marcha, debido a una desprendimiento de rocas. Los desprendimientos comenzaron a primeras horas de la tarde, por lo que empezó a darse paso alternativo en el tramo afectado, pero se acentuaron después hasta que, alrededor de las 20:30 horas, la carretera quedó cortada en ambos sentidos por la acumulación de bloques de gran entidad en la vía (figs.1 y 2) y el riesgo que representaba para los vehículos que circulaban por la misma [3].

Fig. 1.- Corte de la carretera por efecto del deslizamiento general del talud y alcance sobre la carretera de algunos bloques de tamaño métrico, que derribaron una antigua barrera de 500 kJ.

Fig. 2.- Vista aérea de las acciones iniciales de colocación de membranas de guiado como elemento de protección colectiva y con la carretera completamente ocupada por los materiales procedentes del desprendimiento masivo.

A partir de la toma de datos topográficos y fotogramétricos mediante dron equipado con lídar¹ y el software DJI-Terra [9] (fig. 3), se hace un análisis de las nubes de puntos como base para el reconocimiento de discontinuidades y contribución al tipo de inestabilidad usando Dips [5], análisis tridimensionales de estabilidad de la ladera mediante equilibrio límite utilizando Slide3 [6], así como cálculo del alcance, energía y altura de potenciales caídas de rocas que puedan darse durante la construcción o residualmente en fase de explotación (Rocfall3 [7] o RAMMS [8]).

Fig. 3.- Modelado 3D del talud-ladera a partir de lídar aerotransportado, para el seguimiento de la obras de emergencia.

Disponer de herramientas avanzadas, métodos testados y conocimientos sobre análisis de nubes de puntos, permiten una compresión del fenómeno que ha generado el estado de emergencia, minimizar el riesgo durante la gestión de reparación, dimensionar soluciones ajustadas a la necesidad y sostenibles en el tiempo, así como evaluar el riesgo residual de la fase de explotación.

2.- Metodología de modelización y fuentes de información

Con el fin de poder abordar objetivamente las acciones necesarias para poder garantizar la apertura de la carretera, de forma inmediata se obtuvo una nube de puntos del terreno mediante equipo lídar con resolución <2 cm de toda la superficie del deslizamiento y áreas contiguas que pudiesen contribuir sobre la zona activa [1, 2].

Posteriormente se realizó el análisis de discontinuidades a partir de la nube de puntos, así como una búsqueda automatizada de discontinuidades a partir de la red de diaclasas observadas (fig. 4). De entre todas las obtenidas se filtraron aquellas que podían contribuir a la inestabilidad del talud. Los datos sobre discontinuidades permitieron identificar por zonas los tipos de movimientos en masa más representativos y su cinemática potencial (figs. 5, 6, 7).

Fig. 4.- Caracterización de discontinuidades involucrades en el deslizamiento y representación gráfica en Dips.

A partir de la nube de puntos densa se realizó una triangulación de la superficie con detalle suficiente para que permitiese un modelado hiperrealista pero que a su vez pudiese ser analizado por el software Slide3 (100.000 triángulos en este caso).

Fig. 5.- Ejemplo del análisis cinemático del vuelco directo y representación en porcentaje.

Fig. 6.- Ejemplo del análisis cinemático del deslizamiento planar y representación en porcentaje.

Fig. 7.- Ejemplo del análisis cinemático de un deslizamiento en cuña y representación en porcentaje.

Sobre la base de consideraciones cinemáticas y propiedades de fricción de los planos de unión, es posible realizar análisis de estabilidad tales como vuelco (fig. 5), deslizamiento plano (fig. 6) y deslizamiento en cuña (fig. 7). Al modelo 3D resultante se le introdujeron los planos de discontinuidad, que previamente se habían considerado relevantes a escala de talud-ladera, la geología específica y la incorporación de un nivel piezométrico efímero en la transición del regolito.

3.- Seguridad frente a la caída de rocas

Tras un deslizamiento capaz de cortar por completo una carretera, una ladera inestable puede esconder potenciales bloques rocosos, asociado al evento principal, que pueden precipitarse. Los agentes gestores responsables del área han de estar a la expectativa en los sucesivos días-semanas. Las barreras dinámicas son las medidas de protección colectiva más efectivas para la intercepción de bloques, con gran variedad de rangos de energía y alturas, elongación controlada y de rápida instalación.

En este caso concreto y sobre la base del modelo digital del terreno obtenido, se realizaron diversas simulaciones de caída de rocas [8], considerando las potenciales zonas de salida a partir de las discontinuidades detectadas, los tamaños de bloques que habían alcanzado la calzada e incluso llegado hasta el río, los parámetros de restitución del terreno sobre el que potencialmente podía transitar el bloque en la trayectoria de caída, y así poder determinar las energías y alturas de rebote, para las que debería dimensionar la protección que garantizase la gestión de las actuaciones de emergencia (fig. 8).

Fig. 8.- Ejemplo la modelización de caída de rocas sobre el modelo 3D. Comparación de un fotograma de la simulación con un fotograma del video del desprendimiento controlado, llevado a cabo durante las tareas de saneo.

Adicionalmente sobre modelo y sobre terreno se identificaron canchales (graveras) muy activos donde potenciales trayectorias de caídas de rocas, procedentes de cotas superiores a la zona afectada por el suceso, que a futuro podían activarse y convertirse nuevamente en corredores o zonas de tránsito de rocas, por lo tanto debían ser protegidos adicionalmente.

4.- Estabilidad del talud

El software Slide3 [6] ofrece resultados rápidos e intuitivos sobre las zonas más inestables de acuerdo con distintos modelos de cálculo, estados tensionales diversos, así como el factor de seguridad actual por zonas (superficies). Es un programa de estabilidad de taludes de equilibrio límite 3D para evaluar el factor de seguridad de superficies de falla 3D en taludes de suelo o roca. El agua subterránea, el soporte y la carga se pueden incluir en el análisis. Slide3 analiza la estabilidad de superficies de deslizamiento tridimensionales utilizando métodos de equilibrio límite (fig. 9).

En general, un modelo 3D es un modelo que no se puede clasificar como un modelo extruido 2D o un modelo barrido 2D. La mayoría de estos modelos se crean mediante la aplicación de secciones transversales 2D diferentes entre sí, por lo que sus secciones transversales no son consistentes en todo el modelo, que es lo que diferencia a estos modelos de los otros dos tipos de modelos.

Un modelo preciso y detallado permite hacer análisis retrospectivos del estado tensional previo al suceso, calibrar así como obtener los parámetros geotécnicos involucrados para FS crítico, siempre que se disponga de la geometría original del talud.

Fig. 9.- Factor de Seguridad del talud-ladera obtenido mediante Slide3.

Con el fin de gestionar con prudencia la emergencia en la fase constructiva es conveniente llevar a cabo un modelado estadio por estadio y así ir visualizando los FS parciales a lo largo del tiempo. El valor de los FS temporales y/o parciales irá incrementando a medida que las acciones estabilizadoras se vayan implementando en el talud-ladera. El FS final de cada zona será el resultante de las acciones implementadas en el conjunto del talud por el efecto grupal de continuidad en el cálculo (fig. 10).

El software dispone de herramientas que permiten aplicar reacciones zonificadas (p.e. soporte distribuido kN/m²), o bien aplicar métodos de estabilización puntuales, directamente pre-dimensionados (p.e. anclajes activos, pasivos, etc.). Una vez recalculado el modelo ofrece detalles del estado tensional del talud, así como los factores de seguridad resultantes (fig. 11).

Fig. 10.- Factor de Seguridad del talud-ladera tras la implementación de soportes zonificados, obtenido mediante Slide3.

Fig. 11.- Ejemplo de la propuesta de medidas de estabilización implementadas durante la emergencia.

5.- Conclusiones

Los datos obtenidos a partir de fotogrametría y Lídar equipados sobre drones, se demuestra como una técnica para la adquisición de datos muy rápida y eficiente para la atención de emergencias ya sea en: carreteras, ferrocarriles, u otras infraestructuras, especialmente aquellas de difícil acceso.
Rocscience dispone actualmente de una gama de productos relacionados con la geotecnia muy acordes con la demanda actual. Así Slide3 es una de las herramientas más potentes e intuitivas existentes en el mercado para el diseño y seguimiento de una actuación de estabilización de taludes en todas sus distintas fases.
Los dimensionamientos relacionados con la estabilidad de taludes deben satisfacer las solicitaciones y ser acordes a la problemática y solucionar el problema a corto, medio y largo plazo, para que puedan ser consideradas infraestructuras sostenibles.
Los softwares actuales permiten implementar soluciones de mercado para la estabilización y protección, y obtener resultados en cuanto al FS temporal, parcial o residual, en las distintas fases.

Referencias

[1] Handbook on the Design of Tips and Related Structures, prepared for the Department of the Environment by the Geoffrey Walton Practice, March 1991, London: HMSO.

[2] The geotechnical characteristics of a spoil heap at Yorkshire Main Colliery, R. K. Taylor and D. A. Spears, Quarterly Journal of Engineering Geology, Vol 5, 1972, pp. 243-263.

[3] La Vanguardia (2019) https://www.lavanguardia.com/cortada-la-c-13-entre-rialp-y-llavorsi-por-un-desprendimiento-de-rocas.html

[4] El Periódico (2019) https://www.elperiodico.com/es/cortada-carretera-riesgo-desprendimiento

[5] Dips software. Rocscience (2022) https://www.rocscience.com/software/dips

[6] Slide3 software. Rocscience (2022) https://www.rocscience.com/software/slide3

[7] Rocfall3 software. Rocscience (2022 https://www.rocscience.com/software/rocfall3

[8] RAMMS::ROCKFALL software (2022) Institute for Snow and Avalanche Research, Switzerland

https://ramms.slf.ch/ramms/index.php?option=com_content&view=article&id=66&Itemid=93

[9] DJI Terra (2022) https://www.dji.com/es/dji-terra

¹ acrónimo del inglés (LiDAR, Light Detection and Ranging o Laser Imaging Detection and Ranging) es un dispositivo que permite determinar la distancia desde un emisor láser a un objeto o superficie utilizando un haz láser pulsado.