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Revista Seguridad Minera

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Caso de estudio: análisis de caída de rocas en taludes

10 agosto, 2015 por Seguridad Minera Dejar un comentario

El análisis de caída de rocas es un proceso que permite obtener una probable trayectoria de la roca desde su desprendimiento hasta su ubicación final. Es necesario realizar este estudio antes de cualquier obra civil de estabilidad de taludes, lo que nos dará una información importante para diseñar un sistema de protección adecuado, y nos permita mantener la seguridad del entorno externo durante la ejecución de la obra.

Si las características del lugar lo permiten se puede realizar un análisis experimental. Llámese análisis experimental al hecho de realizar la simulación de la caída de rocas en el lugar. El efecto físico y matemático de la caída de roca obedece a utilizar los principios y fórmulas de caída libre y la teoría de colisiones o choques. Los programas comerciales facilitan el desarrollo matemático de dichas fórmulas y adicionan el concepto de probabilidad para sus resultados.

Introducción

La caída de rocas es un tema importante porque constituye un riesgo cuando se construye en taludes rocosos o taludes con características similares al acantilado de la Costa Verde (zona costera de la ciudad de Lima) debido a que implicaría la pérdida de vidas humanas o la inutilización de la obra. La Autoridad Proyecto Costa Verde, en su publicación «Actualización del Plan Maestro de desarrollo de la Costa Verde» en agosto del 2007, manifiesta que el 42% de peligro en esta vía es debido a la caída de rocas y derrumbes.

APP Seguridad Minera

Badger y Lowell (1983) resumen la experiencia del Departamento de las carreteras en el Estado de Washington. Afirmaron que un número significativo de accidentes de trabajo y casi una media docena de víctimas mortales se ha producido a causa de la caída de rocas en los últimos 30 años y el 45% de todos los problemas de inestabilidad de ladera son relacionados con la caída de rocas. Hungr y Evans (1989) anotan que, en Canadá, se han producido 13 muertes por caída de rocas en los últimos 87 años. Casi todas esas muertes han sido en la carretera montañosa de la Columbia Británica.

Fundamento Teórico

Mecánica de caída de rocas

La caída de rocas es generalmente iniciada por temas climáticos, fenómenos naturales o artificiales, que causan un cambio en las fuerzas que actúan sobre una roca. Siendo los más comunes:

  • El aumento de la presión de poro debido a la infiltración de la lluvia en la pendiente.
  • La erosión de material circundante durante las lluvias fuertes, tormentas, hielo y deshielo en climas fríos.
  • La degradación química o meteorización de la roca.
  • El crecimiento de raíces o la influencia de las raíces sobresalidas en caso de vientos fuertes. Una vez que el movimiento de una roca se ha puesto en marcha desde lo alto de una pendiente, el factor más importante en el control de su trayectoria de caída es la geometría del talud.

Sin embargo, existen algunas consideraciones que se tienen que tener en cuenta en el análisis:

  • Si las rocas caen sobre una superficie de roca dura inalterada y limpia son más peligrosas porque no existe nada que retarde su caída en algún grado significativo.
  • Si las rocas caen en la superficie del talud cubierta de material, coluviones o grava, se absorbe una cantidad considerable de la energía de las rocas y en muchos casos se detiene por completo.

Esta capacidad de retardar del material de la superficie se expresa matemáticamente por un coeficiente llamado de restitución. El valor de este coeficiente depende de la naturaleza de los materiales que forman la superficie de impacto.

Las superficies limpias de rocas duras tienen un alto coeficiente de restitución mientras que el suelo, grava y granito descompuesto completamente, tienen bajos coeficientes de restitución. Esta es la razón porque se colocan capas de grava en los bancos de captura, con el fin de evitar un mayor rebote de la caída de rocas.

Llámese bancos de captura a zanjas con área adecuada que permiten acumular las rocas que caen hasta este punto. Otros factores, tales como el tamaño, la forma, los coeficientes de fricción de las superficies de la roca se tienen que considerar.

También se tiene que tener en cuenta si la roca se rompe en pedazos más pequeños. Sin embargo, estos son efectos de menor importancia que la geometría del talud y los coeficientes de restitución que se ha descrito anteriormente.

Por lo tanto, modelos de simulación de caída relativas de rocas sueltas, tales como el programa escrito por Hoek (1986), son capaces de producir razonablemente predicciones de trayectorias de la caída de rocas.

La mayoría de estos modelos de caída de rocas incluye una simulación de Monte Carlo que es una técnica para variar los parámetros incluidos en el análisis. Esta técnica, con el nombre del juego de los casinos de Monte Carlo, es similar al proceso aleatorio de tirar los dados uno para cada parámetro que se está considerando.

Sin embargo, el fundamento de cálculo es la ley de la caída de rocas y la teoría de colisiones o choques. El análisis se llevó a cabo utilizando el programa desarrollado por Hungr. La principal ventaja de este programa es que incluye una función de la plasticidad que absorbe la energía del impacto de cantos rodados, dependiendo de su tamaño.

Análisis de caída de rocas en taludes
Izquierda: sección típica de análisis de caída de rocas. Derecha: ejemplo de trayectoria de caída de rocas.

Protecciones Estáticas-Pasivas

Son medidas que se toman para detener las rocas, es decir que actúan sobre los efectos de la inestabilidad.

Secciones típicas de soluciones ante caída de rocas
Secciones típicas de soluciones ante caída de rocas en taludes

Protecciones Dinámicas-Activas

Este tipo de retención se utiliza para prevenir la inestabilidad. Comúnmente se utiliza para carreteras o pistas de tránsito permanentes. Con este método se evita la caída de rocas sobre las edificaciones que se encuentran en el pie del talud disminuyendo la velocidad horizontal componente que hace que la roca rebote y con ello evitan los daños.

Aplicaciones para el acantilado de la Costa Verde

El objetivo de utilizar esta metodología es conocer el grado de peligro que pueda ocasionar el desprendimiento de rocas en el acantilado. Existen muchos programas que pueden simular este evento físico, en esta oportunidad utilizaremos el programa RockFall.

Fundamento teórico

Los fundamentos de este programa son:

  • Caída libre.
  • Teoría del rebote.
  • Teoría de impacto.

Resultados de dicho programa

Los datos utilizados son los siguientes:

  • Coeficiente de Restitución: R
  • Material talud: Conglomerado de la Costa Verde
  • Datos en el conglomerado de la Costa Verde
  • NOTA: Dichos valores son tomados de la tabla que se encuentra en la base de datos del programa Rockfall.
  • Condiciones iníciales de la roca (Grava redondeadacanto rodado).
  • Velocidad Horizontal = 0 m/s.
  • Velocidad Vertical = 0 m/s.
  • Peso de grava considerado = 5 Kg
  • H = 65 m.
  • n = número de lanzamientos de la misma roca = 50
  • H = H (Promedio), está referido a la altura donde se desprende la roca (altura referido a msnm).
  • Sección en práctica: sección ubicada en la zona de Larcomar – Miraflores.
alcance y rebote de la roca, y ubicación horizontal y punto final de rocas
Izquierda: alcance y rebote de la roca. Derecha: ubicación horizontal y punto final de rocas.
Izquierda: altura en un cierto punto. Derecha: envolvente de la altura de rebote.
Izquierda: altura en un cierto punto. Derecha: envolvente de la altura de rebote.
Izquierda: distribución de la energía cinética total para una distancia X. Derecha: envolvente de la energía cinética total.
Izquierda: distribución de la energía cinética total para una distancia X. Derecha: envolvente de la energía cinética total.

Validación de resultados del programa Rockfall

Se realizó un análisis experimental en el cerro de la Universidad Nacional de Ingeniería, una simulación de caídas de rocas, donde se obtuvo como resultado que existe un rango de +/- 10% de corrección al valor obtenido por el programa. Se enumeraron las gravas que ayudaron a la simulación, así como se midieron las dimensiones y también el peso de las mismas.

Conclusiones

  1. En toda obra civil de carácter especial con respecto a seguridad del entorno externo e interno, debido a la posible caída de rocas, es necesario hacer un estudio de protecciones.
  2. Algunas conclusiones sobre el programa utilizado:
  • El alcance: ayuda a conocer los límites que tiene la caída de una roca.
  • Los diagramas que se presentan nos ayudan a elegir la mejor ubicación del sistema de protección teniendo en cuenta la energía cinética que presentan.
  • También se puede observar gracias a la envolvente, donde es la zona de mayor y menor rebote, de esta manera uno elegirá la mejor opción en este caso la altura de los sistemas de protección conocidos en el mercado es de tres metros como máximo, por lo general.
  • El alcance y la altura de rebote nos ayudan a ubicar la zona donde colocar el sistema de protección y la energía total nos ayuda a dimensionar el sistema de protección.

Referencias

Jorge Alva Hurtado. Rock Engineering Course Notes by Ebert Hoek, Cap 9. Manual de Rock Fall Estabilidad de taludes Capítulo sobre Soluciones Geotécnicas sobre taludes, Lima, 2008.

 

Por: Miguel Ángel Villanueva De La Cruz. Bachiller en Ciencias, mención Ingeniería Civil. Universidad Nacional de Ingeniería, Lima, Perú. Tesista Convenio UNI GyM.

Archivado en: Operaciones Etiquetado con: Geomecánica

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