Clasificaciones y riesgos en infraestructuras
(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 97)
Jesús David Fernández-Gutiérrez; Responsable de Asistencias Técnicas y Proyecto I+D+i
Ero Vinicius Silva Espiña; Director Técnico Geoconsult España Ingenieros Consultores, S.A.U.
Marcel Hürlimann; Profesor Doctor (UPC) Universitat Politecnic Catalunya, UPC
La gestión del riesgo en vías de comunicación por movimientos del terreno, tales como inestabilidades de laderas, desmontes y terraplenes, tanto en macizo rocoso como en suelos, es un ámbito en el que el empleo de SCR dota a las infraestructuras de evaluaciones permitiendo la priorización de actuaciones, inversión y mantenimiento. Clasificaciones como RHRS, debidamente calibradas, aportan al gestor de la infraestructura una herramienta de previsión y actualización de la peligrosidad y riesgo
1. Introducción
El desarrollo de patologías e inestabilidades en las infraestructuras emplazadas en el terreno con desmontes y terraplenes, es un proceso que se sucede de forma habitual, que implica de forma general, un incremento de costes al gestor de la infraestructura y la consecuente pérdida de efectividad y funcionalidad de la misma, así como el perjuicio y riesgo de los usuarios.
La categorización y clasificación del fenómeno de peligrosidad, así como del riesgo inducido, Sistemas de Clasificación del Riesgo (SCR) no está muy extendido en relación con los movimientos del terreno. De forma general, se realizan gestiones de los fenómenos inestables en las zonas de frecuencia de episodios de inestabilidad reiterativos o actuaciones de emergencia por episodios esporádicos.
El empleo de clasificaciones que engloben criterios de peligrosidad y riesgo con respecto a los movimientos del terreno, proporcionan al gestor de la infraestructura una herramienta que priorice las inversiones mediante un plan estratégico de mantenimiento.
2. Rock fall hazard rating system (RHRS)
2.1. Estado del arte
Graves sucesos de desprendimientos en vías ferroviarias en British Columbia, Canadá a principios de la década de 1970, impulsó el desarrollo del sistema de analizar y priorizar acciones en los taludes denominado RHRS por Brawner & Wyllie (Brawner & Wyllie, 1975). La necesidad de sectorizar las carreteras frente a los habituales desprendimientos que se producían del estado de Oregon (EEUU) y en colaboración con otras agencias estatales, despertó la necesidad de desarrollar e implementar sistemas de análisis, control y priorización de soluciones, que en base a la practicidad del desarrollo del sistema RHRS fue adaptado y calibrado a principio de la década de 1990 (Pierson, 1990, 1991, 1992).
Posteriormente, autores como Budetta (Budetta, 2004), introducen cambios en el sistema de evaluación, principalmente en el análisis geológico-geotécnico del macizo rocoso, sustituyendo la caracterización inicial (Pierson, 1990) en relación a la disposición estructural de las juntas y su componente friccionante (caso 1) o el grado de erosión diferencial y su desarrollo (caso 2), por un sistema de clasificación geomecánica como es el Slope Mass Rating, SMR (Romana, 1985) para evaluar la peligrosidad de inestabilidades en los taludes.
Recientemente se han publicado estudios (Bouali, 2017) sobre el beneficio en la relación coste/técnica en el empleo de nuevas tecnologías de toma de datos para la aplicación del RHRS.
2.2. Descripción de la metodología
La metodología de evaluación de la peligrosidad por desprendimientos de rocas en los desmontes de los corredores de infraestructuras de transporte, consta de varias fases o evaluaciones.
El sistema de análisis y control Rockfall Hazard Rating System (RHRS) de forma completa, consta de 6 etapas o fases progresivas. Estas fases ordenadas de inicial a final son las siguientes: Inventario y localización de taludes (Fase 1), Clasificación preliminar (Fase 2), Clasificación de detalle (Fase 3), Plan Estratégico (Fase 4), Desarrollo del Proyecto (Fase 5) y Seguimiento y actualización anual (Fase 6).
Posteriormente a la localización e inventario de taludes del corredor (Fase 1), se debe realizar una Evaluación Preliminar Cualitativa (Criterial Expert)(fase 2) para poder realizar de forma efectiva la fase final de evaluación cuantitativa e indexada. Esta aproximación inicial, considerada como “criterio experto”, atribuye a cada talud de corte o ladera una categorización dual de clase-riesgo. Se definen tres clases A, B y C, y riesgo/peligrosidad Alto, Medio y Bajo respectivamente. Esta clasificación primaria o preliminar es meramente cualitativa a juicio del criterio experto, quien priorizará el análisis sobre los taludes con un riesgo A.
Una vez determinada la prioridad de análisis con la fase 2, se ha de realizar una clasificación de detalle (fase 3) de todos los taludes, estableciendo prioridades según la clasificación preliminar. Esta fase 3, conforma el desarrollo cuantitativo indexado de esta metodología, analizando categorías estructuradas por temática de evaluaciones. Se han de evaluar 9 (o 10 según metodología aplicada) categorías de diferentes temáticas estructuradas en 4 rangos puntuados cada una. Las categorías pueden ser agrupadas por ámbito o temática como: Infraestructura-Tráfico (RHRSinfra), Geológico-geotécnicas (RHRSgeo) y frecuencia (RHRSfrec). La descripción detallada de estas categorías se analiza en el siguiente apartado.
Con los taludes del corredor indexados según la clasificación de detalle (fase 3) se ha de elaborar un plan estratégico (fase 4) que estime las medidas de mitigación y la relación de costes/inversión. Esta estimación del plan estratégico, ayudará a la implementación más adecuada del proyecto de mitigación (fase 5). Finalmente, la herramienta desarrollada de análisis, control y mitigación del riesgo mediante la metodología RHRS, ha de ser actualizada con seguimientos periódicos (fase 6)(anuales / semestrales / ocasionales-situación accidental o umbrales de control) de los taludes del corredor de la infraestructura evaluada.
En el presente artículo se emplea como base de partida la metodología de RHRSmod (Budetta, 2004), la cual es actualizada por Geoconsult para su empleo en corredores pirenaicos y andinos reflejando la importancia de las clasificaciones geomecánicas en las evaluaciones de riesgo de las infraestructuras (Geoconsult, 2019 y Fernandez-Gutiérrez et al, 2021).
2.3.Clasificación detallada de taludes (fase 3)
Las categorías o parámetros del índice de peligrosidad se indexan en 4 rangos de puntuaciones para cada categoría (3-9-27-81, Figura 1) o se asignan puntuaciones lineales que siguen una ley exponencial incremental en base 3 (1). En la Eq. (1), x es el factor exponencial que define a cada categoría, incluyendo en la Tabla 1, los empleados en los casos aplicados.
y=3x (1)
2.3.1. RHRSinfra
Dentro del grupo de categorías (Tabla 2) definido como RHRSinfra, se engloban los parámetros a evaluar correspondientes a aspectos de geometría (altura de talud) y condiciones de las infraestructuras en base a diseño y normativa sobre las mismas.
La altura de los taludes de corte o ladera natural inmediata (Hs: High Slope) sobre la carretera, es evaluada en función de la altura del desmonte, con rangos de menor a mayor altura (7,5 a >30m) e indexados en cuatro rangos.
Aspectos relativos a la capacidad efectiva de la cuneta (Deff: Ditch effectiveness) y su posible recepción de material desprendido, se evalua en función de los criterios de diseño de cunetas de Ritchie. Geoconsult en su puesta en práctica del sistema de clasificación RHRS en 2018, implementa al RHRSmod (Budetta, 2004) la modificación de esta categoría propuesta para el estado de Colorado, CRHRS (Russel et al, 2008).
La exposición y frecuencia dinámica de vehículos ante un fenómeno de peligrosidad como inestabilidades del terreno en taludes se evalúa con la categoría Riesgo Promedio Vehículo (AVR: Average Vehicular Risk) según la relación siguiente (3), donde interviene el IMD (Intensidad Media Diaria) del corredor evaluado.
Donde IMD es la Intensidad Media Diaria de tráfico (vehículo/día), lt es la longitud de tramo (km) y PsL (Posted Speed Limit) el límite de velocidad del tramo analizado (km/h).
La categoría visibilidad para la toma de decisiones (DSD, Decision Sight Distance) controla el porcentaje de distancia visible con la distancia necesaria para frenar el vehículo ante un elemento anómalo en la carretera. Geoconsult en el 2018, adecua el cálculo del parámetro para las carreteras españolas según la Norma 3,1-IC de trazado (2016).
El porcentaje de la distancia de reacción se calcula según la siguiente relación (5).
Donde DSD es Dp de la ecuación (4) y SD (Sight Distante, m) la distancia de reacción-visibilidad.
La calzada del corredor, por lo general presenta una dimensión acorde a la normativa vigente en cada país, Geoconsult en 2018 adapta los rangos de puntuación a los anchos de calzada (Rw) determinados por la Norma 3,1-IC de trazado del
2016 para las carreteras españolas.
2.3.2. RHRSfrec
Las características del macizo rocoso presente en los taludes de los corredores de transporte de las infraestructuras son analizadas, según RHRSmod (Budetta, 2004) desde el punto de vista de la caracterización geomecánica mediante estaciones geomecánicas para determinar el índice geomecánico Rock Mass Rating System, RMR (Bieniawski, 1989) para obtener el índice SMR (Slope Mass Rating) (Romana, 1985) y sus factores correctores.
Las dimensiones de los bloques en relación a tamaño del bloque (Bs, Block Size) (7) y el volumen del desprendimiento por evento (Vfall, Volume block) (8) siguen la misma relación que el RHRSmod (Budetta, 2004).
S1-2-n es el espaciado principal entre las litoclasas de una misma familia y α,β y γ es el ángulo entre las direcciones en de los pares de juntas (Palmstrom 2005).
2.3.3. RHRSfrec
Las categorías que definen rangos temporales o de frecuencias se han englobado en RHRSfrec, y son tales como los aspectos climatológicos, periodos de precipitación adaptados a la climatología e la zona (Cl, Climate) y el registro histórico o frecuencia de desprendimientos (Rf, Rockfall frequency) empleando para estos últimos la ecuación propuesta por Corominas (2009).
3. SOIL HAZARD RATING SYSTEM (SHRS)
La necesidad de afrontar la evaluación de la peligrosidad en la totalidad de los taludes de corredores de infraestructuras, incluidos lo que no se emplazan en macizo rocoso, sino que se desarrollan en suelos, hace que Geoconsult en 2018 desarrolle una metodología análoga aplicando la misma en viales pirenaicos (España) y andinos (Colombia).
3.1. Descripción de la metodología
De una sistemática análoga a la metodología RHRS, el desarrollo de SHRS (Soil Hazard Rating System) modifica los aspectos relativos a la geometría de talud, condiciones geológicas y climáticas con respecto a los suelos. Únicamente se definen las categorías modificadas con respecto a RHRS, puesto que el resto son idénticas.
3.1.1. SHRSinfra
Los taludes de corte o sobre calzada (STC), así como los taludes de borde o bajo calzada (SBC) son evaluados con esta clasificación (SHRS) en función de su inclinación (ψ). Así, el aspecto geométrico de la categoría (Tabla 2) varía con
respecto a la altura valorada con RHRS.
La efectividad de la cuneta (Deff) en STC es la mismas que para RHRS, mientras que en SBC se evalúa la distancia entre el borde de calzada y la cabeza de talud (Sd, Slope distance) (Tabla 2).
3.1.2. SHRSgeo
Las condiciones geológicas (Gc, Geological conditions) según el estado físico de los taludes de corte (STC) frente a fenómenos erosivos (Wp, Weathering process) es evaluado en rangos desde sin afección a inestabilidades en desarrollo (Tabla 2-STC). Para los taludes SBC, el aspecto evaluado se enfoca en las patologías de la calzada (Rp, Road patologies), valorando presencia y grado de fisuras, grietas o hundimientos (Tabla 2-SBC). Estos criterios tienen relación directa con la litología y propiedades geotécnicas de los suelos presentes.
El aspecto volumétrico, de magnitud de potenciales o reales roturas es evaluado en función de la magnitud en m3 volumen afectado (Vfall).
3.1.3. SHRSfrec
Las condiciones climáticas en suelos, se evalúan las precipitaciones/año y heladas (Cl), como en la presencia de agua en los taludes (Ws, Water Slope) STC-SBC ya que su presencia condiciona la estabilidad (Tabla 2) y por tanto la peligrosidad.
4. Experiencias RHRS-SHRS
4.1. Corredores viales pirenaicos
Geoconsult en 2018, desarrolla el estudio de riesgos naturales en la carretera A-136 entre Biescas y Espacio Portalet, dentro del Proyecto Poctefa-Securus, donde entre otros riesgos, se plantea la evaluación de los riesgos geológicos inmediatos (en sentido de distancia, no temporal) de los 27km de corredor vial entre Biescas y Portalet. Geoconsult propone la metodología adaptada RHRS para los taludes en roca y desarrolla la clasificación SHRS para los taludes y terraplenes en suelos presentes en gran parte del corredor. De esta forma, se consigue aportar una evaluación de la peligrosidad de forma lineal del corredor frente a riesgos por desprendimientos y deslizamientos del terreno (de baja escala, sin tener en cuenta los mega deslizamientos evaluados con otra metodología). Este enfoque y desarrollo de una nueva clasificación o sistema de evaluación (SHRS) permite desarrollar de forma más ajustada y completa el Plan Estratégico de actuación e inversión (Fase 6 Metodología RHRS-SHRS).
En la tabla se resumen el número de fichas de clasificación según los sistemas RHRS, SHRS (STC-SBC), así como los metros lineales evaluados por cada una. La evaluación del corredor fue en los dos sentidos de circulación, ya que de forma general es una carretera con excavación en una margen y relleno en la opuesta, generando la geometría talud/terraplén en una misma sección transversal y ocasionalmente en trinchera. Así, los taludes de corte sumarían el 79% de la longitud de corredor, mientras que los taludes bajo calzada sumarían el 95% teniendo en cuenta ambos sentidos de circulación.
Frente al fenómeno de inestabilidad de taludes, se han clasificado los riesgos (Alto-Medio-Bajo-Muy Bajo) en la carretera A-136 (Tabla 4, Figura 4 y Figura 5), estructurando los rangos de puntuaciones límite para cada grado de peligrosidad según clasificación empleada, tanto en función de tipología de terreno (roca/suelos) como en geometría en la infraestructura (talud de corte/terraplén), así como el porcentaje de cada grado o nivel de peligrosidad.
Las zonas de corredor con mayor presencia de taludes en roca, genera un incremento del riesgo en desmontes, tanto en roca, como en suelos (coluviales y residuales, saprolíticos).
Finalmente, el Plan Estratégico (Fase 6) se estructura, en prioridad/prevención y fase de intervención, en base a medidas de mitigación preliminares, estructurando el presupuesto y la prioridad en los taludes de Alta peligrosidad con un 46% del presupuesto, un 35% para los Medios y un 7% para los Bajos.
En 2020, Geoconsult realiza un estudio según RHRS y SHRS en viales andinos UF1 a UF5, (Sur de Colombia) donde se evalúan los puntos críticos (119), completando la metodología para la normativa nacional, así como adaptando los rangos de puntuaciones, y niveles de peligrosidad (Tabla 5, Figura 6) según necesidades del cliente. En esta experiencia, el encaje de la infraestructura en terreno de tipo volcánico altamente tectonizados y suelos de naturaleza coluvial, terrazas poco cementadas y lahares.
El plan estratégico se enfocó los riesgos Altos-Muy Altos teniendo en cuenta además de las medidas de mitigación propuestas, los costes de remoción, limpieza y traslado de material.
5. Conclusiones
El empleo de estos Sistemas de Clasificación de Peligrosidad y Riesgo, para valorar la peligrosidad y frecuencia de ocurrencia del fenómeno inestabilidad de taludes, son sistemas que sectorizan adecuadamente y de forma lineal los corredores viales, facilitando la gestión de la infraestructura mediante la actualización de la herramienta desarrollada y puesta en marcha, así como el plan estratégico de actuación/investigación desarrollada.
6. Nuevas propuestas y desarrollos
Geoconsult, desde su departamento de I+D+i y Proyecto Shaimdrone (Slope Hazard Assesment for Infrastructures Managment using Drones), financiado por CDTI, está desarrollando herramientas de toma de datos mediante drones e inteligencia artificial, aplicando procesos de automatización en la determinación precisa de las diferentes categorías de estos sistemas de clasificación del riesgo.
