Estructuras flexibles para el control de flujos de detritos

1.1. Flujos de detritos¹, características generales y parámetros que los definen

Por lo general, el área de iniciación se corresponde con una zona activa de deslizamientos donde son habituales superficies con roturas definidas, cabeceras de taludes, crestas y/o indicios de erosión por cárcavas en márgenes de canales o muestras de inestabilidad en el lecho del canal frente a caudales extremos [2].

Las áreas de iniciación presentan laderas con ángulos cuya inclinación puede variar entre 20º y 45º que se corresponde con la pendiente que proporciona al flujo suficiente energía potencial para iniciar movimientos en suelos granulares. El volumen del deslizamiento involucrado en la zona de inicio es muy variable, con frecuencia son de unas pocas decenas de metros cúbicos, pero que a su vez son capaces de desencadenar un flujo de detritos mayor aguas abajo. Suele también suceder que un flujo de importantes proporciones sea simplemente la fase final o extensión de un gran deslizamiento de rocas o de una avalancha de detritos.

En ocasiones, ocurre un deslizamiento inicial que lleva a un único evento de flujo de detritos. Sin embargo, es común encontrarse con que los fenómenos torrenciales desencadenan deslizamientos prácticamente simultáneos en diversas localizaciones, que pueden incluso ser de diferentes tipos como por ejemplo deslizamientos de detritos, avalanchas, deslizamientos rotacionales de tierra, caídas de rocas o incluso roturas de terraplenes.

Roberto Luis Fonseca. Dr. Ing. Caminos, Canales y Puertos. Geobrugg AG, Suiza.

Distintas mezclas de agua y sedimento dan lugar a una gran variedad de reologías y por tanto de flujos. El resultado no es el producto de un simple deslizamiento, sino que el interior de este se deforma continuamente desplazando las partículas que lo componen de un sitio a otro dentro de la matriz, provocando esfuerzos internos que disipan la energía del material por medio de mecanismos de fricción. Los flujos de detritos tienen unas características bien distintas a agua limpia² destacando en el gran potencial para incorporar material durante su trayectoria de desplazamiento [22]. Todo el material proveniente de la zona de iniciación se incorpora al canal para seguir una trayectoria durante la cual puede incorporarse material del lecho o márgenes.

También es posible que puedan ocurrir deposiciones en forma de leves marginales y lóbulos por desbordamiento³, que comportan una modificación de la concentración del flujo inicial.

La zona de conducción o propagación se relaciona con el desplazamiento del flujo por cauces existentes de diferente naturaleza tales como: canales con lechos de roca no erosionables, cascadas, canales con riberas de suelo erosionable y lecho rocoso, cárcavas erosionables, o lechos que contienen grandes bloques de roca depositados por crecidas previas, por lo general la pendiente del canal suele ser superior a 10º. En algunas ocasiones la entrada del flujo a la parte canalizada ocurre sin la disminución significativa de la velocidad del deslizamiento inicial o avalancha. En otros casos, es posible que el deslizamiento inicial se quede detenido en el cauce conformando una especie de presa de retención temporal.

Cuando estas presas se rompen súbitamente o son erosionadas, se produce una oleada de detritos [9]. Es un fenómeno que suele acontecer en oleadas dentro de un mismo evento, pudiendo modificar las características reológicas y el volumen involucrado para diferentes oleadas de un mismo episodio, para la misma cuenca. Las oleadas resultan de la inestabilidad del flujo producto del ordenamiento longitudinal de los materiales y se caracterizan por tener un frente de bloques grandes de roca [20], un cuerpo principal conformado por una masa fina de detritos licuados, y al final un flujo diluido y turbulento de agua cargada de sedimentos, similar a las corrientes de detritos.

El crecimiento del frente de bloques ocasiona un ascenso en el nivel del flujo que está detrás, y genera un incremento proporcional en el caudal pico [13]. Otra clase de oleadas se desarrollan en flujos o en corrientes de gradación fina que no transportan bloques de roca. La inestabilidad ocurre porque el flujo, aunque de naturaleza laminar, queda retenido detrás de un frente turbulento [27, 4]. Las oleadas pueden o no tener el mismo tamaño, su número es variable y pueden darse en intervalos comprendidos entre segundos u horas.

La zona de depósito se ubica en el segmento de pendiente más baja y se forma como resultado de la reducción de la pendiente, de la pérdida de confinamiento o de la combinación de ambas que hace colapsar el cuerpo principal de la oleada y que el frente pierda el empuje que lo impulsaba hacia delante. Al perder velocidad parte de los fragmentos que en él se encuentran pueden salir expulsados a las márgenes del canal, formándose especies de diques de material grueso capaces de mantener un moderado grado de confinamiento adicional al proporcionado por la morfología del canal. Eventualmente, el material fluidificado del cuerpo principal de la oleada avanza y sobrepasa al frente de grandes rocas, con lo cual este último se estanca y forma un depósito lobular de fragmentos de roca alineados fuera de la curva. La repetición reiterada de estos procesos en la superficie del cono, a medida que la oleada se desplaza hacia la parte baja del mismo, origina una reducción gradual tanto del contenido de clastos gruesos como del caudal pico. Frecuentemente, es este comportamiento la causa del redireccionamiento del flujo sobre los conos y de la formación de canales en regueros.

El depósito de los materiales provenientes de flujos de detritos usualmente se realiza en un cono o abanico establecido, y responde a un patrón en el que se identifican variaciones a medida que se aleja de su vértice: en la zona más próxima, se depositan los materiales más gruesos alcanzando espesores importantes, mientras que en la parte más alejada se forman depósitos más delgados de material fino.

En general, la etapa final de un evento de flujo de detritos es una corriente de agua con una gran carga de sedimentos que alcanza el cono y continúa con las características de una corriente de detritos, que genera erosión y modifica la estructura original del depósito. Este es un punto importante que tomar en cuenta cuando se realizan estimaciones de velocidad del flujo, sección transversal de máximo flujo y caudal pico de la mayor oleada, basándose en la inspección de campo (por ejemplo, la observación y análisis de elevación del flujo en los canales, marcas dejadas por el lodo y líneas de poda arbórea sobre las márgenes).

El comportamiento de los flujos de detritos está relacionado con los parámetros del entorno que lo generan y del flujo [22]. Para su mejor comprensión pueden dividirse entre propiedades del terreno y las propiedades del flujo. Las propiedades del terreno son la pendiente y ciertas características de la superficie, principalmente ligadas a la topografía y a la erodabilidad del lecho y márgenes del canal por donde se propaga el flujo. Entre las propiedades que caracterizan al flujo, las más importantes son: la concentración de sedimentos, la densidad del fluido, de las partículas sólidas y de la mezcla, la cantidad de agua, la velocidad del flujo, parámetros que describen las tensiones y los volúmenes inicial y final.

Los parámetros más comunes utilizados en la modelización de los flujos de son los siguientes:

• topografía del terreno
• hidrogramas (aporte de agua en el tiempo)
• condición inicial del flujo: posición, volumen y profundidad
• densidad de las partículas sólidas, de la mezcla
• densidad y viscosidad de la porción liquida
• ángulo de fricción interno, incluida la superficie de deslizamiento (fondo)
• fracción de sólidos con respecto al volumen total
• coeficiente de turbulencia
• erodabilidad del lecho
• diámetro medio de las partículas

El empleo de estos parámetros depende del modelo de cálculo utilizado. Así por ejemplo Iverson [13] propuso el rango típico de variación de algunos de los parámetros mencionados como se muestra en la Tabla 1. Los parámetros de salida son calculados durante la simulación y en la mayoría de los modelos son: la velocidad, la profundidad del flujo, volumen, posición y espesor del depósito.

1.2. Clasificación de los flujos de detritos

Los flujos de detritos, en base a su génesis se pueden subdividir en dos grupos:

1. Abiertos

a. debidos a inestabilidades en la masa de terreno de la cuenca. Se basa en la aplicación de un criterio de estabilidad de taludes donde tras un deslizamiento la masa deslizada evoluciona a flujo a partir del sucesivo encauzamiento aguas abajo. El criterio de estabilidad más general es el de Mohr-Coulomb.

b. ocasionados por erosión superficial y arrastre de los materiales de la cuenca. Difiere poco del anterior, sin embargo, no se considera una incorporación por rotura del macizo sino erosión por deslave.

2. Canalizados

Por incorporación progresiva de material al canal. Creados a partir del incremento de la concentración en el cauce. Recoge los escenarios en los que un flujo baja por un cauce de alta pendiente e incorpora material basal en cantidad suficiente como para incorporar su concentración hasta el punto de cambiar de grupo pasando de transporte de sedimentos a flujo hiper-concentrado o corriente de detritos. Pero dentro de este grupo se suelen realizar las siguientes subdivisiones también cuando: la erosión es del fondo del canal o de los márgenes de este.

De forma consensuada se ha aceptado la división de los flujos de detritos en dos tipos principales según su concentración de sólidos [3, 9, 10]:

1. La corriente de detritos granular⁴ que contiene mayoritariamente material granular, representado por un flujo turbulento, friccional o inercial.
2. La corriente de detritos lodosa o viscosa⁵ que contiene principalmente material fino, caracteriza por un comportamiento de tipo laminar y plástico.

Se reconocen, en general, como medidas de prevención y reducción del riesgo a aquellas que se realizan con anterioridad a la ocurrencia de desastres con el fin de evitar que dichos desastres se presenten y/o para disminuir sus efectos. Es decir, la reducción del riesgo es una acción antes del suceso [5]. Todas las posibles medidas reducen los riesgos, según el ciclo deben evaluarse y combinarse de forma óptima para alcanzar el nivel de seguridad requerido, respetando las condiciones generales tales como: la disponibilidad de recursos, aceptabilidad social y compatibilidad ambiental.

En muchos casos, la combinación de medidas resulta ser la opción más efectiva. Por lo general las medidas estructurales están limitadas por razones económicas o ambientales, por ende la planificación es básica. Hoy día, la evaluación de las medidas se centra, por un lado, en la viabilidad técnica o la efectividad en la reducción del riesgo y por otro lado, en las consecuencias económicas directas, como los costes de construcción o el beneficio del daño evitado. En la gran mayoría de casos las medidas preventivas predominan en el proceso de evaluación y financiamiento.

Medidas no estructurales: No suponen obra física, utilizan el conocimiento, las prácticas o la tecnología existentes para reducir el riesgo y su impacto, especialmente a través de políticas y leyes, concienciación pública, capacitación y educación (ISDR6). Pueden ser activas o pasivas. En las activas se promueve la interacción directa con las personas: la organización de las emergencias, el desarrollo y fortalecimiento institucional, la educación formal y capacitación, información pública y campañas de difusión, participación comunitaria y gestión a nivel local. Las pasivas están directamente relacionadas con la legislación y la planificación: códigos y normas de construcción, uso del suelo y ordenamiento territorial, estímulos fiscales y financieros, así como promoción de seguros. Por lo general, las medidas no estructurales, no requieren significativos recursos económicos y en consecuencia son muy útiles en los países en desarrollo.

Medidas estructurales: intervención de carácter físico mediante obras de ingeniería, que posibilitan reducir o evitar posibles impactos de las amenazas o peligros para lograr de esa manera la resistencia y la resiliencia de las estructuras o de los sistemas protegiendo así personas e infraestructuras.

2.1. Contramedidas no estructurales

El objetivo de las medidas de control no estructurales es dar respuesta proactiva al riesgo al que se ve expuesta una determinada jurisdicción [5, 12]. En la gran mayoría de caos, las autoridades determinarán, desarrollarán y promoverán las medidas a aplicar en los eventos de riesgo identificados, trabajando en: evitar, prevenir, o reducir la probabilidad de ocurrencia y su impacto. Las medidas de control se podrán actualizar o reemplazar si no son eficaces.

Por lo general, las medidas preventivas no estructurales, consisten en una red de advertencia y respuesta inmediata a desastres, casi siempre se basan en intervenciones técnicas y logísticas que incluyen:

• Monitoreo (estaciones meteorológicas, sismógrafos, entre otros).
• Mapeo (imágenes satelitales, sistemas de información geográfica, etc.)
• Alertas a la comunidad y a sectores productivos en situación de riesgo.
• Alerta temprana: se basan en el monitoreo, utilizan medios de comunicación, sirenas, etc. Advierten a la población sobre la manifestación de determinados eventos coordinando labores de protección civil, incluyendo planes de evacuación.
• Preparación: consiste en la capacidad de manejo del desastre antes de que este ocurra con el fin de proveer una efectiva y eficiente reacción (pronta y debida) para enfrentar el desastre. Ello incluye la previsión de alojamiento seguro, estructuras de primeros auxilios (fijas y móviles), equipos de limpieza, y búsqueda - salvamento, entre otros.

La información a la población debe ser una actividad regular [5] y no solo cubierta en emergencias. El beneficio es claro se puede contribuir en el incremento de la conciencia, la educación y la aceptación de las decisiones. Es importante informar razonablemente y de acuerdo con la situación. Por lo tanto, el gobierno está obligado a proporcionar información a todos los interesados. En los últimos años las leyes relacionadas con los riesgos naturales han incrementado el nivel de exigencia y con ello el nivel de información que debe transmitirse al público. Se consigue resiliencia si sobre la base de una mejora en el conocimiento adquiridos través de la formación, del personal involucrado que convive con riesgo, pueden asumir una mayor responsabilidad a nivel personal, pero también de un mejor equipamiento y bases de datos histórica de acontecimientos acaecidos. Por lo general, la tensión psíquica relacionada con los desastres es alta, fundamentalmente si se pierden vidas. Si además hay preocupación desde el punto de vista económico, la tensión empeorará. Las compañías de seguro, así como los fondos públicos y las aportaciones privadas juegan un papel importante en la reducción del riesgo económico.

2.2. Contramedidas estructurales

El desarrollo tecnológico, junto a los avances del conocimiento en la mecánica de suelos y mecánica de rocas de los últimos años, ha hecho cambiar de forma radical los paradigmas de diseño, construcción y mantenimiento de desmotes y taludes. Este desarrollo ha conseguido que los ingenieros diseñadores puedan contar con un conjunto de soluciones o herramientas de tipo estructural, que permite trabajar de forma efectiva en la mitigación de los riesgos.

Algunos autores hablan de clasificar las soluciones en pasivas o activas, considerando la forma de actuación. Se suele denominar activa a la solución que presupone contacto con el terreno y pasiva a la que no está en contacto directo. Esto sin duda, se presta a confusiones, ya que las soluciones de estabilización pueden ser pasivas o activas en función de la forma en que actúen los anclajes que la fijan al interior del terreno. Entonces, resulta práctico y más comprensible, hacer una clasificación diferente teniendo en cuenta la función para la cual están destinadas, quedando de esta forma establecidos dos grupos básicos: protección y estabilización [17].

Protección: Son todas aquellas medidas que se realizan con el objetivo de proteger un objeto o infraestructura concretos, su principal característica es que se permite la caída o desprendimiento de los materiales y lo que se intenta es evitar que lleguen a la zona a proteger, guiándolos, deteniéndolos o mitigando su energía. En este grupo se encuentran: las galerías de hormigón, las barreras estáticas y dinámicas, atenuadores, deflectores y los muros de protección de varios tipos, que se colocan en la trayectoria de bloques de roca o torrentes⁷ de detritos en su paso por las laderas. En la figura 1, se relacionan las principales medidas de protección que se pueden conseguir con el empleo específico de sistema flexibles.

Estabilización: Son todas las medidas que se ejecutan in situ sobre la cara del desmonte o ladera y que permiten evitar que los materiales que las componen se pongan en movimiento, siendo su objetivo fundamental el aumento del factor de seguridad, frente a deslizamientos de cualquier tipo (fig. 2). Se caracterizan por utilizar un sistema de anclajes que es quien define si las soluciones son activas o pasivas. En este gran grupo están las tradicionales soluciones de recubrimiento superficial básico, las construcciones rígidas, pantallas de micropilotes, vigas y muros de hormigón ancladas, gunitas claveteadas⁸, tierra armada⁹, muros jardineras, jaulas o verdes, así como las modernas soluciones flexibles con membranas₁₀ de acero de alto límite elástico, también usadas en el interior de mina contra solicitaciones estáticas y dinámicas, o como estructuras de control de la erosión litoral. Las barreras de control de aludes de nieve son elementos de estabilización pues se colocan en las cornisas de los montes y su objetivo es estabilizar la nieve, y evitar que se desprenda.

2.3. Contramedidas especificas contra los flujos de detritos

Las medidas estructurales contra flujos de detritos, tanto de protección como de estabilización de márgenes, se han aplicado en torrentes durante siglos [11]. No solo la gestión del bosque, también obras de civiles como presas de retención o deflectores, han sido importantes para proteger poblaciones. Sin embargo, debido a la complejidad de los eventos torrenciales en las cuencas (p.e, la interacción de los procesos de ladera y de canal) y el conocimiento limitado sobre los fenómenos, los procesos de riesgo tienden a subestimarse y los desastres persisten. Además, algunas de las medidas aplicadas, surtieron efectos secundarios no deseados. En los últimos años, la implementación de diferentes estructuras funcionales complementadas es lo último en tecnología. Debido a la variedad de procesos relacionados con los flujos de detritos, existen varias medidas que se utilizan para reducir los riesgos asociados a este tipo de evento. Generalmente, las medidas estructurales en barrancos se pueden aplicar:

• incrementar la estabilidad de las márgenes y disminuir los procesos erosivos en cuenca;
• consolidar y estabilizar el lecho o canal;
• transformar las corrientes de detritos, separando el agua de los sólidos;
• reducir la velocidad del flujo cambiando la pendiente cerca del cono de deyección;
• controlar el fluido desde el ápice al río principal sin inundar el abanico.

Las principales contramedidas estructurales [5] aplicadas a los torrentes son:

Drenaje: El ecosistema de áreas húmedas e inestables se puede estabilizar mediante sistemas de drenaje que drenan el agua de capas de suelo inestables. De esta forma, se puede controlar la presión de poro a lo largo de posibles superficies de corte y, en consecuencia, reducir el riesgo de que se produzcan deslizamientos superficiales (fig. 3).

Revegetación: La bioingeniería del suelo utiliza materia vegetal para hacer frente a la erosión. Estas medidas pueden iniciar o acelerar las sucesiones y procesos fitosociológicos, reducir la erosión de la superficie, mejorar el agua del suelo condiciones y control deslizamiento superficial de la tierra. La combinación de aplicaciones de bioingeniería del suelo para proteger la superficie (siembra) con sistemas flexibles de estabilización, ha avanzado mucho en los últimos años (fig. 4).

Estabilización de las márgenes: Debido a la alta energía de descarga en torrentes se puede producir la erosión de las paredes del canal. Consistente en una malla romboidal de alambre de acero de alto límite elástico >1770MPa, adosada a la superficie y sujetos mediante anclajes de diversos tipos en función de las características del terreno. Esta solución en general es complementaria a las barreras flexibles de redes de anillos de acero, aunque en casos excepcionales se emplean solas en las márgenes para controlar la erosión (fig. 5).

Refuerzo de la solera o fondo: A igual que en el caso de las márgenes la erosión también arrastra materia del fondo de barranco, el lecho del canal se puede estabilizar mediante alféizares, instalados en serie a una distancia constante. En cualquier caso, hay que considerar que los módulos pueden movilizarse con el flujo si no están adecuadamente dimensionados. Esta solución puede ser más efectiva en caso de flujos hiper-concentrados, para torrentes en los que se prevé flujos de contenido granular, puede no ser eficiente (fig. 6).

Paso elevado canalizado sobre túneles: Si la trayectoria hacia los puntos a proteger del flujo de detritos es cruzada por importantes vías de comunicación, diseñar y construir un paso elevado canalizado (similar a los cobertizos de protección contra avalanchas) puede garantizar una buena protección de la infraestructura (fig. 7).

Diques de interrupción - deflexión: En general será la primera medida aguas arriba de una serie de estructuras. Su función es disminuir el nivel de energía del flujo granular. Además, las masas de flujo de detritos pueden depositarse en un lugar destinado de una manera más o menos controlada. Aguas abajo, el 'rompedor' es seguido por varias estructuras que controlan el manejo de sedimentos. En casos especiales, el interruptor de flujo puede cumplir la función de interceptores de avalanchas de nieve [1] (fig. 8).

Diques o barreras de contención rígidos y flexibles: Son estructuras colocadas transversalmente al torrente, de una margen a otra y permanentemente rellena. En su mayoría, los diques de contención cerrados están diseñados como diques de gravedad, con una amplia variedad de diseños estructurales (fig. 9). Por lo general, series de represas de control se construyen y espacian regularmente a lo largo del canal. La suavización de la pendiente debido a la represa de control induce una reducción de la velocidad de flujo.

Como consecuencia, la capacidad de erosión del flujo se reduce y la sedimentación es forzada. Además, la erosión del fondo es limitada ya que los diques tienden a reducir el desplazamiento del torrente. En otros casos, pueden ayudar a estabilizar los márgenes y el fondo, y el relleno actúa como tope. El rendimiento a largo plazo de las barreras flexibles de protección contra flujo de detritos (Fig. 10) como un sustituto de las presas de retención rígidas [29]. Estas barreras permanecen rellenas en el lecho del río con el fin tener la misma función que las presas de control rígidas, con la ventaja de un tiempo de instalación fácil y rápido. Además, son muy eficientes en tanto no precisan cimentación, evitando asentamientos diferenciales que generalmente ocasionas la rotura de los muros y logran transmitir las solicitaciones de forma segura, mediante anclajes a la zona estable del margen. En los últimos años se han instado en muy diversas composiciones, con excelentes resultados [17].

3.1. Introducción a los sistemas estandarizados

3.1.1. Antecedentes y primeros ensayos

Las redes se utilizaron por primera vez en la mitigación de los riesgos naturales, en 1953 para el control de barrancos [16]. Las estructuras permeables estaban destinadas a retener sólo una carga gruesa y permitir el paso del agua. Para ello se utilizaron redes muy grandes, de hasta un metro de apertura, y refuerzo de cables. Debido a la falta de experiencia en el diseño y en su comportamiento a largo plazo, las barreras de redes de cables sólo se utilizaron como medida de emergencia. En los años 70 se construyeron algunas barreras de red de cables, en Tirol Oriental [23]. Estos generalmente construidos a partir de soportes verticales (perfiles de acero), con cables de soporte.

Una de las primeras barreras de este tipo se erigió en el río Griesbach en 1964. Por lo general, la madera flotante se retiraba cada 3 a 5 años y la carga de fondo se vacía solo en caso de inundaciones posteriores. Esta barrera no ha tenido ninguna reparación excepto un cable de soporte roto. El empleo de barreras flexibles para controlar flujos de detritos tiene su origen en las barreras contra desprendimientos de rocas, cargadas de forma casi accidental por flujos de detritos o pequeñas purgas de nieve. Este suceso 'fortuito' generó la idea de utilizar barreras contra caídas de rocas, también para controlar cargas distribuidas. La figura 19, izquierda, muestra la primera barrera contra la caída de rocas que fue cargada de forma casual por un flujo de detritos, en Japón en 1998. Se retuvieron 750 m3 de material en tres oleadas. En la figura 11, derecha se muestra una barrera contra la caída de rocas, sobre el Ferrocarril Federal Austriaco en St. Anton, Tirol [23], que fue cargada por un flujo de detritos tras un evento de precipitación extrema en 2005. En este caso casi 150 m3 de material del flujo de detritos fueron retenidos y no llegaron a las vías del tren.

Después de que algunas barreras de protección contra caídas de rocas retuviesen con éxito deslizamientos y flujos de detritos pequeños, se intentó utilizar barreras de red de anillos para controlar también los flujos de detritos. Los primeros ensayos (60 m³) en esta dirección se realizaron en un canal artificial en febrero de 1995, con la colaboración del Centro de Investigaciones Geológicas de los Estados Unidos (USGS), con la participación de la Universidad Politécnica de California (CALPOLY) y el Departamento de Transporte de California (CALTRANS) Oregón, EE. UU. [6]. El canal de 2 m de ancho y 95 m de largo, tenía una inclinación de 30º, con una pared lateral de 1,2 m de altura, los 88 m superiores con una pendiente del 30º y los 7 m finales del 3º (fig. 12).

En total se llevaron a cabo seis experimentos con redes de cable diagonal y redes de anillos. Las aperturas de dichas redes variaban entre 10 y 30 cm, además se colocó una malla secundaria y una geomalla, para control de finos.

Las redes se extendían entre dos cables de soporte. Los cables de soporte contenían células de carga para determinar las solicitaciones y deformaciones durante el proceso de llenado. Estos ensayos pioneros, ya demostraron que volúmenes de flujo de hasta 10 m³ con velocidades de impacto de hasta 10 m/s, se pueden detener con éxito usando barreras flexibles. Las redes con malla secundaria tuvieron muy buena retención y las redes con geomalla retuvieron casi todo el material. En los cables de soporte se produjeron picos de carga de hasta 45 kN, que se midieron al mismo tiempo que la deformación máxima de las barreras.

Los primeros ensayos de campo a escala natural (1:1) en barreras de red de anillos para protección contra flujos de detritos, se instalaron durante 2005 en Illgraben, Valais, Suiza. Paralelamente, se empleaban redes para el control del transporte fluvial de madera. La principal consideración a la hora de utilizar redes para retener madera flotante es que la red mantiene la madera cerca de la superficie del agua. El agua, incluida parte de la carga de sedimentos del fondo, puede pasar por debajo de la red. Sin embargo, algunas observaciones han demostrado que la velocidad del flujo se reduce debido a la madera represada y, por lo tanto, en ocasiones la carga de sedimentos, también se deposita en el trasdós de la barrera [23].

3.1.2. Barreras compuestas por redes de anillos contra flujo de detritos

El sistema flexible de barreras contra flujos de detritos consta de cables de soporte perimetral que se extienden transversalmente al lecho del canal y se anclan en los márgenes [28]. Para la sujeción, por lo general, se usan anclajes flexibles de cable de acero, anclajes autoperforantes. La red de anillos se coloca entre los cables de soporte y transfieren la carga a todos ellos. Hay dos tipos de barrera contra el flujo de detritus, según la forma de la sección trasversal. Por lo general, el modelo VX se ha diseñado para secciones transversales de canales en forma de V y se utiliza para luces de hasta 15 m, mientras que el sistema UX es adecuado para secciones transversales más anchas con luces de hasta 30 m (fig. 13). En el caso del modelo UX, se colocan uno o más postes a lo largo de la estructura, sobre los que pasan los cables de soporte, de manera similar a las barreras de protección contra caída de rocas (fig. 14).

Los postes se sujetan con cables de retención al monte y, según el tipo de terreno, se dotan de una placa base que se coloca sobre un dado de hormigón. Esto garantiza que la altura remanente tras el proceso de llenado sea la mayor posible, y así conseguir el mayor volumen de retención posible.

3.2. Elementos estructurales y componentes principales

La mayoría de los componentes de las barreras flexibles para flujos de detritos se han tomado de las barreras contra caídas de rocas, debido a la extensa experiencia que se tiene con su uso. A continuación, se describen los componentes que se han desarrollado recientemente o que son relevantes para las barreras contra el flujo de detritos. La figura 15 muestra los componentes individuales de una barrera flexible contra el flujo de detritos.

3.2.1. Cables de soporte perimetral

Los cables de soporte se extienden de un margen a otro y suelen tener integrados uno o más elementos de frenado. Las dimensiones relevantes de los cables de acero Geobinex de 22 mm utilizadas en las barreras se enumeran en la Tabla 2. Estos cables son de alma metálica y de cordones redondos. La carga de rotura calculada de un cable se puede calcular a partir de la sección transversal metálica, multiplicada por la resistencia nominal del cordón. Esta carga es siempre superior a la carga mínima de rotura aportada por el fabricante. Este valor se debe alcanzar o superar en todo cable cuando se rompe. El factor de trenzado k es un coeficiente de reducción que se produce por el trenzado de los alambres y las tensiones adicionales producidas por ello. Cada uno de los alambres está recubierto con una capa de ZnAl para protegerlos contra la corrosión.

3.2.2. Cables de aleta y perimetrales laterales

El cable de aleta (tendedero), es una línea estructural que se extiende desde el anclaje superior de una orilla hasta el anclaje superior de la otra orilla. Por lo general, se tiende en un ángulo de aproximadamente 30° con respecto al cable de soporte superior y se fijan entre ellos mediante una abrazadera. De este modo se forman las aletas a ambos lados de la barrera contra el flujo de detritos.

Cuando la barrera esté llena, las aletas deben asegurar que el flujo se mantenga en la mayor medida posible en el centro, de modo que se evite la erosión lateral de las márgenes. La reducción de la altura remanente de barrera durante el proceso de llenado también se controla mediante este cable de aleta y el número de frenos.

El sistema de protección contra la abrasión suele estar montado en el cable de aleta. La otra línea estructural está formada por el cable perimetral lateral, que permite el cierra lateral de la red de anillos contra las márgenes. Va desde el anclaje superior hasta el inferior de cada margen. Suele pasar por la cabeza flexible de los anclajes flexibles. La red de anillos se fija a cada lado de este cable perimetral mediante grilletes.

3.2.3. Elementos de frenado

En los cables soporte o transmisión longitudinales están integrados los llamados elementos de freno. Están formados por un tubo curvado en círculo a través del cual pasa el cable. El tubo se mantiene unido mediante una abrazadera (fig. 16). Cuando el cable se pone en tracción, los frenos reducen su diámetro y se alargan. La longitud del cable aumenta con el desplazamiento de los frenos.

Durante este proceso, la energía es absorbida por la deformación plástica del tubo y por la fricción sobre la abrazadera. La elongación del cable también tiene un efecto positivo sobre la carga en el cable. La elongación de los frenos se mide después de un evento. Las fuerzas efectivas pueden determinarse posteriormente mediante curvas carga-deformación obtenidas de ensayos de tensión cuasi-estáticos.

Como los frenos que se utilizan en estructuras de protección contra caídas de rocas y contra flujo de detritos tienen un comportamiento, se puede evaluar este mediante ensayos dinámicos. Se ensayaron dinámicamente diferentes tipos de frenos [28]. La figura 17 muestra los resultados del anillo de freno GN-9017. Hasta ahora se ha utilizado más en barreras contra flujo de detritos. Dicha figura muestra las curvas carga-elongación para solicitaciones cuasi-estática y dinámica para una velocidad iniciales de ensayos de 4 y 8 m/s.

Este rango de velocidad se espera más bien como el límite superior para el alargamiento de los frenos durante el proceso de entrada de un flujo de detritos. Se ha comprobado que los valores de carga dinámica de los frenos son siempre algo más bajos que los cuasi-estáticos. Esta reducción de la fuerza máxima y disipación de energía asociada depende del tipo de freno. Para el freno GN-9017 se sitúa entre 9 y 14%, dependiendo de la velocidad de carga. La razón de que los valores de carga sean más bajos en los ensayos dinámicos radica en la menor fricción estática. La fricción estática en el anillo de freno es mucho mayor en la máquina de tracción, que cuando el anillo de freno se carga dinámicamente.

3.2.4. Anclajes flexibles de cable espiral

Con el objetivo de transmitir las solicitaciones a tracción de forma segura a la zona estable en el interior del terreno, se emplean anclajes flexibles fabricados con cable espiral. Estos elementos fueron diseñados en origen, para soportar cargas dinámicas, como parte de los sistemas de protección contra desprendimientos y flujos de detritos, entre otros. Pero su empleo se ha sistematizado y en la actualidad, se utilizan en prácticamente todos los sistemas, incluyendo los de estabilización de taludes. Son muy útiles, siempre que sea necesario transmitir solicitaciones a tracción al interior del terreno estable. Dentro de los sistemas de estabilización, se pueden emplear en todos los puntos donde comienza o termina un cable, ya sea perimetral o de refuerzo.

Como parte de un sistema, resulta importante conocer sus propiedades para racionalizar su diseño y utilizar el modelo y dimensiones apropiados, en cada momento.

Los anclajes de cable espiral (fig. 18.1), se pueden adaptar a cualquier tipo del terreno (roca o suelo), el uso de centradores permite garantizar que la armadura de acero quede centrada en el taladro, lo cual proporciona un vertido de mortero homogéneo (fig. 18.2). Con ello se consiguen una transmisión de fuerzas ideal entre el cable espiral y el terreno, así como una protección óptima contra la corrosión.

En el caso de que las paredes de la perforación sean poco estables, el uso de anclajes autoperforantes en combinación con el cabezal flexible (fig. 18.3) es la mejor solución. Esta cabeza se puede atornillar a los anclajes de barra autoperforantes convencionales y absorber las fuerzas de tracción y flexión según el mismo principio que todos los anclajes de cable espiral. También existen versiones especiales para mayores diámetros de anclaje (fig. 18.4).

3.2.5. Red de anillos de interposición

Las barreras contra flujos de detritos constan de anillos de alambre con un diámetro de 30 cm o 35 cm, aunque también son posibles otros diámetros en función de las necesidades (usadas en Japón y Estados Unidos, fig. 19, derecha).

En la red estudiada cada anillo está conectada a cuatro anillos adyacentes (4:1). Cada anillo está formado por espiral de determinado número de vueltas. Por ejemplo, el 16/3/300 tiene 16 vueltas por anillo individual, con un diámetro de alambre de 3 mm y un diámetro de anillo de 300 mm (fig. 19, izquierda). Los devanados de un anillo individual se fijan mediante abrazaderas de acero en 2 o 3 puntos. El alambre utilizado para las redes de anillos es un alambre de acero de alta resistencia¹¹ de más de 1770 MPa según EN 10264-2. Para la protección contra la corrosión se utiliza un recubrimiento eutéctico de 5% de aluminio y 95% de zinc. Aún no hay experiencia a muy largo plazo sobre la tasa de erosión del zinc-aluminio, en este sistema.

En caso de ser usadas como medida de protección se deben vaciar después de enfrentar un evento. En cambio, si se instalan en el lecho del río para estabilizar las márgenes o para lograr un efecto escalonado, deben permanecer llenas. El agua de los torrentes de montaña y de los canales de detritos suele ser muy rica en sedimentos y, por tanto, muy abrasiva. Los ensayos de abrasión en anillos mostraron que después de tres grandes flujos de residuos, el recubrimiento de aluminio y zinc disminuyó en un 75%. Esto demuestra que la protección contra la corrosión de la red de anillos debe lograrse estructuralmente.

Una red de anillos 4:1, durante la puesta en funcionamiento (carga del sistema) genera una elongación que convierte el anillo en cuadrado, mucho antes de llegar a la rotura (fig. 20).

3.2.6. Protección contra la abrasión

Para proteger el cable de soporte superior y el cable de aleta se ha desarrollado un sistema de protección contra la abrasión. Este módulo se vuelve relevante tan pronto como la barrera flexible se ha llenado y el resto del flujo de detritos que no se puede retener fluye por encima de la barrera. El sistema de protección contra la abrasión entra entonces en contacto directo con el esfuerzo a cortante y la carga adicional del flujo debido al desbordamiento. Por lo tanto, el sistema de protección contra la abrasión debe cumplir requisitos especiales en términos de robustez.

En las primeras barreras de campo en 2005 se utilizó un perfil en ángulo relativamente débil con dos grilletes para sujetarlo al cable de soporte superior (fig. 21, izquierda). Después del primer evento se encontró que el perfil estaba muy doblado y que los segmentos individuales se habían retorcido alrededor del cable de soporte, generando espacios libres.

En 2006 el perfil se incrementó en dimensiones y en sección de chapa. También se utilizaron grilletes de mayor tamaño para evitar puntos de presión en el cable de soporte superior. Para evitar que el sistema de protección contra la abrasión se deslice durante el proceso de llenado, se hicieron ranuras en ambos extremos, de modo que los distintos perfiles se puedan unir entre sí mediante grilletes (fig. 21, derecha).

La galvanización de la protección contra la abrasión no es del todo adecuada debido al efecto altamente abrasivo del material que fluye sobre ellos. En este caso, la única opción es 'acero de sacrificio', es decir, hacer la chapa lo más gruesa posible para proporcionar cantidad de acero para la abrasión-corrosión y reemplazar la protección contra la abrasión como piezas de desgaste cuando sea necesario. También es posible producir protección contra la abrasión a partir de aceros inoxidables.

3.3. Procedimiento de instalación en obra

La instalación de las barreras contra flujos de detritos de red de anillos se puede dividir en las siguientes cuatro partes [28, 29].

3.3.1. Perforación y cimentaciones

La perforación toma la mayor parte del tiempo de trabajo de instalación, dependiendo del tipo de terreno. En la figura 22 se muestran un taladro y anclajes autoperforantes. Los anclajes autoperforantes se perforan con brocas desechables y simultáneamente se inyectan mediante lechada a través del tubo de anclaje. Gracias a la broca desechable no es necesario perforar con entubación. A continuación, se montan los cabezales flexibles, que garantizan una dirección de transferencia de carga, sobre los anclajes autoperforantes. El mortero inyectado es capaz adquirir su resistencia máxima después de 28 días. Sin embargo, el tensado de los cables de soporte puede comenzar después de aproximadamente 7 días, porque en ese momento el mortero inyectado ha alcanzado del 80 al 90% de su resistencia máxima a la compresión.

Si se trata de un sistema UX, las cimentaciones de los postes se preparan al mismo tiempo que se perforan los anclajes (fig. 23). Si el sistema UX tiene un solo poste, al perforar los anclajes de los cables de retención se debe garantizar que no se coloquen directamente en el lecho del río, de lo contrario aumenta el riesgo de que la cabeza del anclaje se erosione debido a inundaciones y flujos. Si hay más de un poste, no se puede evitar perforar los anclajes del cable de retención directamente en el canal. En este caso, si hay suelo inestable, se recomienda hormigonar adicionalmente la zona alrededor de las cabezas flexibles. De este modo se minimiza el riesgo de se laven.

3.3.2. Instalación y tensión de los cables de soporte

En primer lugar, los cables de soporte superior e inferior se tensan transversalmente sobre el lecho del río de un anclaje a otro y, después de pasarlos a través de la cabeza flexible, se sujetan con sujetacables según EN 13411-5 [19]. En el caso del cable tipo Geobinex de 22 mm referido anteriormente, se deben disponer 10 sujetacables según las recomendaciones del fabricante. Después se tensa el cable de aleta, que está fijado a los cables de soporte superiores (fig. 24). Los cables de soporte estarán pretensados a 10 kN aproximadamente. En los sistemas UX con postes, primero se montan y tensan los cables de soporte inferior y superior. Los postes se colocan con la ayuda de un helicóptero o una grúa, entonces se fijan los cables de soporte para controlar las tensiones en la cabeza de los postes. Por último, los cables de retención tensan desde la parte superior del poste hasta los anclajes de cable.

3.3.3. Colocación de la red del anillo

Un cable de montaje adicional, en el que se suspende la red de anillos para el montaje, se tensa desde un anclaje de cables de una aleta a otra. La red de anillos se puede izar sobre el cable de montaje como si fuera una cortina y luego engancharse a los cables de soporte (fig. 25). Cuando la red de anillos está encadenada, es importante asegurarse de que solo se utilicen los anillos de una fila. Una vez que la red está unida a los cables de soporte, se retiran los anillos sobrantes.

3.3.4. Posicionamiento del sistema de protección contra la abrasión

Después de unir la red de anillos con grilletes y retirar el cable auxiliar, se monta el sistema de protección contra la abrasión. El método más sencillo consiste en levantar las láminas perfiladas en ángulo pieza por pieza con ayuda de una excavadora, y engancharlas al cable de aleta (fig. 26). A continuación, se unen los perfiles entre sí con un grillete, de modo que se mantengan unidos entre sí.

En teoría, una barrera pudiese ser instalada por dos personas y el equipamiento adecuado, como una grúa móvil y el equipo de perforación e inyección de los anclajes. Sin embargo, por seguridad y eficiencia es muy recomendable disponer de un equipo de 4-5 personas. En este caso, el tiempo general necesario para construir una barrera simple de red anular, incluida la perforación, es aproximadamente de una semana. El equipo de perforación, la grúa móvil y el material pueden transportarse en helicóptero hasta la obra.

En principio, las redes de anillos se pueden instalar sin caminos de acceso. Sin embargo, cualquier trabajo de limpieza y vaciado debe tenerse en cuenta al proyectar la instalación, si las barreras van a estar disponibles continuamente como espacio de retención para el material detrito que fluye. En cualquier caso, probablemente sería necesaria una carretera de acceso para que el material pueda transportarse desde la barrera hasta el vertedero previsto para ello.

3.4. Mantenimiento

El mantenimiento previsto para la barrera de redes de anillos se divide en dos partes, según el uso previsto:

Como sistema de protección: la barrera permanece vacía justo por encima de la superficie del agua la mayor parte del tiempo. En este caso se supone que la protección se llena parcial o completamente solamente cuando ocurre un evento. En estos casos, la recomendación es que la barrera se vacíe inmediatamente para que el volumen previsto de retención vuelva a estar disponible. Si es posible colocar una excavadora en el canal por encima del relleno tras la barrera, pudiese no ser necesario abrir la red de anillos. Sin embargo, lo más probable es que esta operación de vaciado solo se pueda realizar desde abajo, ya que desde allí sólo es posible acercarse con excavadoras y vehículos de transporte.

Cuando una barrera se vacía desde abajo, será necesario abrir la red anular, lo que normalmente presupone que durante la reinstalación se deben reemplazar los frenos, los cables de soporte e incluso parte de la red de anillos. Sin embargo, no es necesario volver a ejecutar los anclajes.

Como sistema de estabilización: La barrera permanece llena como paso permanente en el canal. La mayor parte del trabajo de mantenimiento se realiza reemplazando la protección contra la abrasión si está afectada o si se ha desgastado el perfil producto del desbordamiento (abrasión). También se debe comprobar la capacidad residual de los frenos, de forma que se asegure la estabilidad de la barrera en caso de que se produzca un suceso posterior. Además, se debe controlar la corrosión en las zonas de la red de anillos, que están permanentemente expuestas al flujo de agua.

3.5. Vaciado y desmontaje

Sólo se describe el vaciado desde debajo de la barrera, ya que la excavación desde arriba no constituye un problema técnico y es posible emplear los siguientes procedimientos [28]:

1. Quitar tensión la barrera con dispositivos tensores de cables (tráctel), de manera que se puedan abrir de forma controlada los cables de soporte y retirar la red de anillos. Para ello un extremo del tensor se coloca sobre los cables de soporte y el otro en la cabeza del anclaje. Luego se deben soltar los sujetacables para abrir de forma controlada el cable de soporte superior. Después de retirar el material de relleno, se repite la operación con los demás cables de soporte-transmisión hasta llegar a los cables inferiores. Una vez finalizado se reinstala la barrera. Muchas veces este procedimiento no es factible ya que los extremos de los cables no están accesibles. Después del proceso de llenado, dichos extremos quedan atascados bajo el sistema de protección contra la abrasión o son de difícil acceso debido al material del fluido se ha solidificado. En este caso, la opción es cortar la red de forma controlada, empleando incluso explosivos.
2. Voladura de parte de la red y/o cables mediante cargas explosivas controladas. A esto le sigue el vaciado y la reinstalación.
3. Cortar la red de anillos y/o los cables de soporte con una cortadora radial o un soplete. Se debe manejar el soplete o la cortadora desde la pala de una excavadora, ya que la probablemente la red esté sometida a una gran tensión debido al llenado y esto requiere una distancia de seguridad.
4. Empleo en la instalación de grilletes especiales capaces de ser abiertos en condiciones de carga.

El tercer método se utilizó para desmantelar la barrera de Illgraben en 2006. No fue posible retirar la red de forma controlada debido a las altas tensiones. Tampoco se pudo realizar la voladura debido al riesgo. Así que sólo quedó la tercera variante y resultó ser muy sensible. En primer lugar, se utilizó una excavadora con equipo de soldadura para cortar una serie de anillos en la dirección vertical de arriba a abajo. Esto se pudo hacer sin riesgos, ya que el Illgraben tiene una pendiente en la canal muy pequeña, por lo que la excavadora no estuvo en riesgo por la caída de material. Una gran cantidad de material que contenía grandes bloques, que estaba situado directamente detrás de la red, se desprendió inmediatamente (fig. 27).

El material fue excavado lo mejor posible a través de la abertura. Tan pronto como se liberó la carga del cable de soporte inferior, se cortó y luego se retiró la mitad de la red de dentro del material retenido con la excavadora. Cortado paso a paso parte de la red y los cables restantes. La barrera podría entonces vaciarse primero por un lado y luego por el otro. En general, se debe tener en cuenta que el material que detiene acumulado resultante del flujo generalmente se comprime detrás de las barreras, y adquiere una disposición similar al hormigón. La distribución granulométrica de los flujos de detritos casi siempre tiene una fracción fina importante, que da como resultado un estado final cohesivo del material detenido. En conclusión, no es simple vaciar una barrera desde abajo sin destruir la red y los cables.

Fig. 27. Desmontaje de la barrera en Illgraben en 2006. Toda la red se libera de la carga cortando la red de anillos y retirando el material con una excavadora (izquierda) y corte del cable de soporte superior (derecha) [28].

3.6. Aspectos ecológicos y de impacto visual

Cuando las redes se instalan sobre el fondo de una canal como medio de retención-protección y están provistas de una abertura basal, la mayoría de las especies animales las pueden atravesar sin restricciones [29]. En los lugares de instalación topográficamente más bajos en los torrentes de montaña, el paso de peces es ilimitado en comparación con las barreras sólidas. Se ha demostrado que los animales salvajes pueden pasar sin grandes restricciones. Visualmente, estas estructuras son menos invasivas que las barreras de troncos de madera u hormigón en el paisaje natural. El paisaje en su conjunto se ve menos afectado por la estructura protectora. Si la barrera se utiliza como medida de estabilización, en estado lleno como sistema de estabilización de múltiples niveles, se producen los mismos efectos ecológicos adversos que con una barrera sólida. Los animales sólo pueden pasar de forma limitada debido al pequeño efecto de caída vertical además del perfil del canal.

Desde el punto de vista puramente visual, resulta obvio que la estructura de una barrera de red de anillos es mucho más ligera que la de una barrera de hormigón macizo (con muy poco acero de refuerzo). En cualquier caso, si se hace un ejercicio comparativo en peso (Tabla 3), entre una barrera flexible de anillos de acero y un muro de hormigón equivalente, se tiene:

• Barrera flexible de red de anillos: compuesta por dos cables de soporte (superior e inferior), un cable de aleta y dos cables perimetrales laterales;
• Muro de hormigón con sección transversal uniforme de espesor 0,75 m.

La conclusión es simple: la barrera flexible de anillos pesa casi 40 veces menos que el dique de hormigón macizo (muy poco armado, con un 2% de acero de refuerzo).

Tabla 3. Estimación de la diferencia entre peso entre una barrera flexible de anillos y un muro de hormigón.

Nota: considerando que la densidad del acero es 78,50kN/m³, la del hormigón en masa es 24kN/m³ y que el hormigón estructural (armado) para el muro tiene un 2% de acero de refuerzo.

Por supuesto, esta diferencia en peso tiene también un efecto positivo durante el transporte, porque tanto durante el proceso de instalación, como durante la puesta a disposición (transporte al lugar de reciclaje en caso necesario) se producen mucho menos gases de efecto invernadero. Las redes de anillos, los cables frenos y accesorios, se pueden reciclar de forma respetuosa con el medio ambiente. Además, durante la ulterior recuperación, como materia prima se produce menos CO₂ debido a la menor cantidad de material y al porciento de reutilización, en comparación con las barreras de hormigón.

En el peor de los casos, si falla una barrera de red de anillos, hay que extraer-separar las piezas de acero rotas, de dentro del material detrítico para que se puedan reciclar. Para ello será necesario utilizar seguramente una excavadora. Pero esto también es preciso en el caso de barreras de hormigón erosionadas, de las cuales el flujo de detritos arranca el recubrimiento y deja completamente expuesto o suelto el acero de refuerzo. En este caso las barras de acero también han de retirarse individualmente del material del flujo depositado, y para ello hay que disponer de medios mecánicos. En este trabajo, más delante se hace un análisis comparativo entre diferentes soluciones, algo más exhaustivo con consideraciones, extraídas directamente de la de obra.

3.7. Límites de aplicación

Anteriormente se ha hecho referencia a la idoneidad de las condiciones topográficas de un torrente de montaña para una barrera de red anular [28]. Este punto es también uno de los límites de aplicación más importantes del sistema de retención.

Las luces superiores a 25 m no son prácticas debido al importante flecha que se produce en los cables de soporte superior de las barreras (h_fl = 3/4 H₀) y lo cual provoca que el volumen de retención resultante este en constante disminución. La altura remanente de la barrera para una luz de 25-30m se puede garantizar en gran medida, mediante postes adicionales como sistema UX.

En el caso de luces aún mayores, se necesitarían más postes y, en algún momento, el sistema de carga se podría agotar debido a las grandes fuerzas que deben transmitirse.

Se debe ser cuidadoso en la estimación de parámetros para el dimensionamiento. En principio se podría construir una estructura de cables de soporte cuádruple, pero hay que considerarlo desde el punto de vista práctico a la hora de realizar la construcción.

El factor geométrico límite de la luz también implica indirectamente un límite en el volumen de retención. Las barreras de red en anillo son adecuadas para retener volúmenes de hasta aproximadamente 1.000-1.500 m³. Para volúmenes de retención mayores, sólo es posible si se utilizan barreras múltiples escalonadas, o alguna estructura especialmente diseñada, con la que se puede crear de una vez un gran volumen de retención. Por ejemplo, la solución especial diseñada en Huepach, Suiza con una longitud de 40 m y una altura entre 4 y 14 m diseñada para retener un volumen de 16.000 m³ y controlar un caudal máximo de 350 m³/s (fig. 28).

Si la pendiente del talud y las resistencias de las aletas en el canal son moderadas debido a la deposición temporal del material, el sistema de soporte de carga pudiese no ser adecuado porque no es posible el anclaje a la altura apropiada.

El riesgo de que la barrera falle como resultado de los anclajes deslavados, es elevado cuando las aletas no se pueden ejecutar en material estable. En este caso, puede ser práctico elevar estos puntos de anclaje extremos mediante empleo de postes supletorios, o quizá crear un espacio de retención adecuado, diseñando de gravedad, que conduzca sus cargas a través de la cimentación hacia el suelo del canal en compresión.

El enfoque de presión desarrollado también demuestra que, a altas velocidades de flujo, se producen solicitaciones dinámicas muy rápidas y altas, cuando un flujo de detritos impacta una estructura flexible las solicitaciones, se pueden llegar a duplicar en el caso de frentes granulares (C_w = 2) [28]. Si en torrentes de montaña muy empinados se esperan velocidades de flujo muy altas, de más de 10-12m/s, no se recomienda el sistema de barreras flexibles, porque las cargas que se producen alcanzan rápidamente, una carga límite posible para el soporte del sistema. Al mismo tiempo, dependiendo del caso, cabe preguntarse si una estructura de contención es práctica en un terreno extremadamente empinado, debido a las altas fuerzas dinámicas durante el llenado y al pequeño volumen de retención que se consigue (geometría), o quizá sería mejor reubicar la barrera.

La solución escalonada barrera (permanentemente llena), es tal vez una solución adecuada en este caso, pues es posible contrarrestar las grandes cargas dinámicas rellenando previamente el trasdós de las barreras. El sistema de retención de barreras flexibles compuesto por redes de anillos flexibles es generalmente es adecuado para flujos de pequeños a medianos con un volumen máximo por oleada esperado V_max = 5.000 m³, velocidades hasta 12 m/s y un caudal máximo esperado de no más de 100 m³/s.

El volumen de retención previsto V_r se puede garantizar mejor con varias barreras en serie que con una única de mayores dimensiones, que acusaría una flecha mayor al centro en luces grandes, y se puede alcanzar el límite de retención esperada. En general, se debe considerar una solución alternativa, flujos cuya energía esperada sea muy alta.

3.8. Probabilidad de fallo

Según la norma DIN 1055-9 [7] para cargas extraordinarias, los flujos de detritos también se pueden describir utilizando escenarios de riesgo. El alcance de los estudios depende de las consecuencias que se esperan. Estas consecuencias deben estimarse considerando el riesgo para las personas, las consecuencias ambientales y el daño económico a la sociedad. También es posible una división en categorías de riesgos, que se enumeran en la Tabla 4. El potencial de daño influye en la probabilidad decisiva de fallo aceptada en un concepto de seguridad.

Partiendo de probabilidades típicas de fallo en la construcción de entre p_f = 10^-3 - 10^-6, estas se asignan al potencial de daño de la siguiente manera: Para un riesgo significativo para la vida humana en la categoría de riesgo 3, p_f = 10`^-6 Se supone que p_f = 10^-5 para la categoría de riesgo 2 y, finalmente, p_f = 10^-3 para la categoría de riesgo 1.

Las probabilidades de fallo aceptadas para estructuras de protección contra el flujo de detritos se toman de [267], y también se guían por las normas DIN [7] utilizada para la ingeniería estructural.

La probabilidad de fallo aceptada es, en última instancia, un problema de optimización de los costes incurridos por la medida y la reducción de daños producida. Alternativamente, el riesgo aceptado de fracaso se produce a partir de los costos de reducir el riesgo, los principios éticos y la comparación con riesgos adicionales. Por lo tanto, este límite debe ubicarse y definirse en consecuencia para las estructuras de protección contra flujos de detritos lo que debe entenderse como un estímulo para seguir trabajando en el campo de la gestión de riesgos naturales.

La probabilidad de fallo de una estructura en ingeniería estructural se calcula con el enfoque probabilístico (distribuciones de frecuencia con valor promedio y desviaciones estándar) de la diferencia entre la distribución de resistencia R y el lado de impacto S según la figura 29 para obtener (1):

Tabla 4. Posibles categorías de riesgo del concepto de seguridad, valores objetivo de las probabilidades de fallo p_f y su índice de fiabilidad β.

Si es necesario, R puede aproximarse para los cables de soporte inferiores de acuerdo con el Probabilistic Model Code Part 3¹² [14] para acero de construcción de manera log-normal con un coeficiente de variación de 0,07. Sin embargo, todavía está por comprobar si esta suposición de distribución se aplica a cables de alta resistencia. A partir de la ecuación del cable, se calcula un impacto límite a partir de la (MBL) fuerza de rotura mínima de 400 kN, para un cable Geobinex (Tabla 2) según la longitud del tramo predefinido. A este impacto límite se resta entonces el impacto S o, según las reglas de cálculo estocástico, se obtiene el margen de seguridad M a partir del producto de ambas funciones de densidad, el impacto S y la resistencia R. M también se denomina función estado límite, que tiene sólo dos rangos: M > 0 describe el rango seguro, M < 0 describe el rango inseguro (fallo). La probabilidad de fallo p_f es el área bajo M < 0 (2), donde:

Por lo general esta integral solo se puede resolver numéricamente, dependiendo de la función de densidad S y R. En relación con la vida útil n de la estructura, p_f  produce (3):

El índice de confiabilidad β se define como una medida de seguridad. Esto depende de la distribución de la función de estado límite por p_f = Φ^-1 (-β). Para una distribución normal de M, los valores objetivo de β se dan para las probabilidades de fallo especificadas p_f. De este índice de fiabilidad se pueden deducir los actores de seguridad necesarios en el lado del material y del impacto para la combinación de impacto correspondiente (en este caso, carga de flujo de detritos y carga muerta de la barrera de red anular).

Los factores de seguridad determinan en última instancia la posición exacta de la función de densidad de impacto S y la función de densidad de resistencia R entre sí y, por tanto, la zona de superposición (fallo).

Si se consideran la probabilidad de ocurrencia y la intensidad, así como el potencial de riesgo y la probabilidad aceptada asociada de fallo debajo de la estructura, se pueden recomendar los parámetros de seguridad de acuerdo con la Tabla 5.

Tabla 5. Factor de seguridad γ_F en el lado del impacto teniendo en cuenta la probabilidad de ocurrencia y el potencial de daños esperado, basado en el seguro de construcción cantonal, Suiza [15].

Se producen parámetros de seguridad más pequeños para probabilidades de ocurrencia más pequeñas o cargas de flujo de detritos subyacentes más grandes y, en consecuencia, se producen parámetros de seguridad más grandes para riesgos aceptados más bajos.

La magnitud de los parámetros seleccionados se especificó con base en SIA 261/1 [25] y el citado seguro de construcción, donde los flujos de detritos se dividen en dos clases de intensidad. La intensidad media de los flujos de detritos (h_fl < 1m y u < 1m/s) en general se supera muy rápidamente, como lo demuestran los valores medidos en el Illgraben. Por lo tanto, con la clasificación según SIA 261/1 [25], la intensidad será mayoritariamente alta para una medida de protección con barreras de red de anillos. Una medida de protección más sencilla es suficiente y más rentable para intensidades medias.

Debido a que no ha sido posible llevar a cabo un análisis de riesgo detallado para las redes de anillos sometidas al impacto de flujo de detritos, estos valores deben considerarse sólo como una recomendación y un punto de referencia para los ingenieros en la práctica. Los parámetros de seguridad recomendados por el seguro de construcción son bastante seguros para las directrices de protección de propiedades, aunque no fueron determinados explícitamente para el uso de barreras de red de anillos bajo carga de detritos.

En el lado de resistencia de los cables de soporte de alta resistencia se podría utilizar el factor de seguridad γ_R = 1,35 contra avalanchas [8]. Sin embargo, esto tampoco se determinó de manera explícitamente probabilística en el caso de cables de soporte de alta resistencia bajo carga de detritos.

Los factores de seguridad sugeridos no se derivaron de un análisis basado en riesgos para el problema de las barreras de red anular bajo cargas de flujo de detritos. Un análisis de este tipo debería realizarse en el futuro basándose en valores medidos concretos. La evaluación del concepto decisivo de seguridad en este documento aún no incluye una evaluación de la calidad de los parámetros de entrada para determinar las cargas de flujo de detritos.

¿Con qué certeza se pueden especificar estos parámetros para obtener valores significativos? Sería posible tener en cuenta esta incertidumbre en los parámetros mediante una adición o reducción. Esto significaría que se podría llevar a cabo una reducción del factor de seguridad en 0,9 γ_F si los parámetros de entrada fueran flujos de inundación para la observación a largo plazo de los flujos de detritos en el terreno.

Si el conocimiento de los parámetros fuera escaso, sería posible aumentar γ_F en el valor 1,1 γ_F . También se considera posible una reducción del factor de seguridad en el caso de una serie de barreras escalonada en el lecho del río. Si por ejemplo la primera estructura actúa como un interruptor del flujo de detritos y está dimensionada para la condición de carga máxima ('condición de sobrecarga'), tiene sentido un factor de seguridad de γ_F = 1,0. Sin embargo, esto también se produce en función de la categoría de riesgo, ya que en la primera estructura de una serie el potencial de riesgo no se encuentra directamente debajo de la barrera (categoría de riesgo 1, γ_F = 1,0).

3.9. Protección contra la corrosión

Desde el punto de vista visual, el aspecto de la corrosión debería considerarse más bien del lado de la durabilidad, siempre que no se produzca una reducción de la capacidad de carga debido a la pérdida excesiva de la sección transversal. Para garantizar la estabilidad, se propone considerar el efecto de la corrosión en general mediante un aumento de la sección transversal de diseño necesaria. Esto significa que la corrosión en las barreras está permitida y es posible en principio, ya que para ello se ha calculado un cierto espesor de sacrificio en la sección transversal. Aunque en términos puramente visuales no se ve bien que el acero de una estructura protectora se corroa, este procedimiento de sacrificio de la sección transversal también se utiliza para estructuras de acero de protección contra avalanchas.

También es posible considerar un incremento en la sección transversal en función de la vida útil prevista de la estructura de protección. La Tabla 6 muestra los incrementos propuestos en sección trasversal, en función de las condiciones ambientales. Las estructuras que quedan rellenas y que sirven para la estabilización del lecho en el canal, se clasifican como de impacto directo, mientras que las estructuras protectoras que actúan como un espacio de retención disponible sobre la superficie del agua se clasifican como de impacto indirecto. Además, los componentes que están directamente expuestos al efecto abrasivo del agua desbordada, como el sistema de protección contra la abrasión, siempre deben clasificarse como de impacto directo.

Se han estimado incrementos porcentuales en la sección debido a las pérdidas por corrosión. Son necesarios ensayos de campo con secciones transversales de acero en canales de flujo de detritos bajo observación a largo plazo para poder obtener datos precisos sobre las tasas de pérdida de recubrimiento resultantes de la corrosión. Como parte del proyecto de Illgraben en Suiza [28, 30], se llevaron a cabo ensayos de abrasión para estudiar el comportamiento de los recubrimientos de zinc. Para ello se montaron secciones transversales diferentes de acero galvanizado en la barrera, por encima de la cual fluyen directamente los detritos (fig. 30, izquierda).

Después de tres grandes eventos de flujo de detritos (volumen total 135.000 m³), se hizo visible el óxido en los perfiles L de acero, porque la capa de zinc había disminuido en un 75% (fig. 30, derecha).

Por este motivo, no es absolutamente necesario recubrir con zinc las piezas de acero de las barreras de red de anillos que se encuentran directamente en el canal. Aún no se ha desarrollado un recubrimiento alternativo adecuado que resista el comportamiento abrasivo del agua con sedimentos y los flujos de detritos. Una alternativa a los recubrimientos sería utilizar acero inoxidable o acero corten para fabricar ciertos componentes que están directamente expuestos al desgaste abrasivo y al desbordamiento de agua rica en sedimentos. Sin embargo, esto también es una cuestión de coste. Otra opción es configurar la barrera (por geometría) durante la fase de proyecto de forma que el agua con sedimentos que se desborda ocasione la menor afectación posible (fig. 31) a los componentes que soportan la carga (red de anillos y cables).

Conocer en detalle los componentes básicos de las barreras y su principio de funcionamiento es fundamental para garantizar su trabajo eficiente y duradero. Las redes anulares son excepcionales a la hora de absorber carga distribuida en el entorno elástico de forma racional, siendo más que indispensables, en el proceso de drenaje o lo que es lo mismo en la reducción (eliminación) de la presión hidrostática debida a la permeabilidad. El sistema de frenado es indispensable para permitir la elongación segura de los cables que forman las vigas flexibles horizontales, que componen las barreras. El empleo de anclajes o cabezas flexibles garantiza que se transmitan las tensiones de forma eficiente a la parte estable del terreno.

En los últimos años, un número importante de proyectos a nivel global se han hecho realidad y han funcionado de forma efectiva. Durante estos años de trabajo combinado de gabinete y campo, se han revisado y perfeccionado varios detalles constructivos. Si se tienen en cuenta los procesos hidrológicos que afectan a la estabilidad de las márgenes de los barrancos y ríos, diseñando su refuerzo, los sistemas flexibles pueden considerarse equivalentes a las estructuras rígidas de protección clásicas fabricadas de hormigón con capacidad de hasta 180 kPa. La concepción más ligera de las barreras flexibles las convierte en una solución ineludible cuando el fácil manejo, los requisitos medioambientales y la protección del paisaje, son cuestiones clave de un proyecto.

Como parte del proceso de concepción diseño y ejecución de diversas obras es importe tener en cuenta los siguiente:

• El desarrollo la actividad antrópica, incluidas obras viales, proyectos mineros, ferroviarios y canalizaciones, están demandando y requiriendo implementar medidas de mitigación, protección y estabilización ante la activación de diferentes mecanismos de fallo o movimientos en masa.
• Identificar los posibles factores desencadenantes que podrían generar la activación del mecanismo, su correcta caracterización y definición.
• Definir el carácter del sistema de protección: temporal o permanente.
• Identificar de forma correcta la zona de afectación o deposito, así como considerar de forma correcta la zona a proteger y que proteger.
• Evitar y erradicar los asentamientos humanos en los barrancos y/o cualquier otra actividad.
• Definir el sistema de protección conforme su aplicación: corrección hidrológica o Protección de personas, infraestructuras, áreas pobladas u otros.
• Posibilidades de generar sistemas de alarma y vías de evacuación.
• No es aceptable la falta de desconocimiento y negligencia al momento de desarrollar un proyecto de esta importancia sin depender de su magnitud.

5. Referencias

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[2] Cannon, S. and Gartner, J. (2005) Wildfire-related debris flow from hazard perspective. Heidelberg, Alemania: Springer Verlag, en asociación con Chichester, U.K.: Praxis Publishing Ltd.

[3] Coussot, P. and Meunier, M. (1996). Recognition, classification, and mechanical description of debris flows. Earth – Science Review 40. Pág. 209 – 227.

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[5] De Stefano, R., Luis-Fonseca, R., y Fernández. D., (2018) Comparación de metodologías para la estimación de riesgos de movimientos de masas. Congeo. CR.

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¹debris flow/ flujo de detritos, flujo de detritus, flujo de derrubios, frente de derrubios, flujo de detritos, flujo de depósitos, flujo de desechos, flujo de residuos, flujos de mazamorra, aluviones, aluviones torrenciales, riadas, huaicos

²clear-water flow / flujo de agua limpia

³overflow, overtopping / desbordamiento, desbordado, reboso, sobrepaso, derrame

⁴granular debris flow

⁵muddy debris flow o viscous debris flow

⁶International Strategy for Disaster Reduction / Estrategia Internacional para la Reducción de Desastres

⁷también denominados: barrancos, quebradas, vaguadas, torrenteras, ramblas, atolladeros y rehoyos

⁸soil nailing

⁹terre armée (FR)

¹⁰el término membrana se emplea para denominar de forma genérica mallas de alambre y redes de cable de acero que componen el paramento en los sistemas flexibles

¹¹“music wire” (alambre musical) se deriva de uno de sus muchos usos posibles (cuerdas de piano), el alambre musical es un tipo de alambre de acero de muy alta resistencia, versátil y asequible, útil en múltiples aplicaciones en ingeniería

¹²https://www.jcss-lc.org/jcss-probabilistic-model-code/