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Sociedad Mexicana deIngeniería Geotécnica, A.C.

XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica

Noviembre 14 a 16, 2012 – Cancún, Quintana Roo

Barreras elásticas de protección contra caídos de rocas. Ejemplo de aplicación en la C.H. “Fernando Hiriart Balderrama”

Elastic barriers protection against rock falls. Application to the site of Hydroelectric Power Plant “Fernando Hiriart Balderrama”

Edgar MONTIEL1 y Javier ZUÑIGA2

1Ingeniero de Proyectos, Comisión Federal de Electricidad, GEIC, Mecánica de Rocas 2Ingeniero Civil, Geobrugg North America, LLC

RESUMEN: El riesgo por desprendimiento de fragmentos de rocas ha sido motivo de preocupación geotécnica a lo largo del tiempo. En los países europeos, principalmente Suiza, se ha utilizado un sistema de protección contra caídos de rocas denominado “Barreras Elásticas”, cuyo objetivo se basa en brindar protección para personas e infraestructura existente o en proceso de construcción. En México, se han instalado esas barreras elásticas en algunos proyectos, siendo uno de ellos, la ladera de las obras de generación de la C. H. Fernando Hiriart Balderrama, zona que continuamente presenta desprendimientos hacia una plataforma en la que se alojan oficinas, maquinaria y por la cual transita personal encargado de diversas actividades. Una vez descritos el funcionamiento y las teorías en las que se basa el diseño de este tipo de barreras, en este documento se presentan los criterios empleados para definir y validar su utilización desde el punto de vista geotécnico, así como los resultados de su aplicación en la problemática encontrada en la C. H. “Fernando Hiriart Balderrama”, sitio en donde será instalada una barrera de seis metros de altura y 1,500 kJ de capacidad.

ABSTRACT: The risk of rock falls has long been a main source of concern in the geotechnical field. In European Countries, mainly Switzerland, rockfall protection systems, called “Elastic Barriers” have been used to protect people in existing facilities or during the construction process of infrastructure. These barriers have been installed in some projects in Mexico; one of them is a slope close to Hydroelectric Power Plant “Fernando Hiriart Balderrama”, a zone where rockfalls have been continuously observed, threatening the offices and machinery platform used by personnel in charge of several activities. After describing the barriers performance and design theories, this paper presents the assumed criteria to define and validate their use from the geotechnical point of view, as well as results of its application in the problems found on the C. H. “Fernando Hiriart Balderrama” site, where a 6 m high elastic barrier with a 1,500 kJ capacity will be installed.

1 INTRODUCCIÓN

En este artículo se presenta una de las alternativas que fue considerada para la mitigación de riesgos contra caídos de rocas, en la Central Hidroeléctrica Fernando Hiriart Balderrama, las denominadas “barreras elásticas”.

La barrera elástica necesaria para contener los fragmentos de roca definidos en sitio, debe de poseer una resistencia contra impactos cercanos a los 1,500 kJ (equivalente a detener una masa de 4,800 kg a 90 km/h en caída libre).

Con el objetivo de presentar los fundamentos técnicos de diseño y el marco teórico de funcionamiento de este tipo de barreras, el presente articulo documenta los criterios empleados para definir y validar su utilización desde el punto de vista geotécnico, en una problemática real existente en la C.H. “Fernando Hiriart Balderrama”.

2 UTILIDAD DE LAS BARRERAS DE PROTECCIÓN CONTRA CAÍDOS DE ROCAS

Normalmente en la mayoría de las construcciones de obras civiles, se efectúan excavaciones para dar forma a cortes superficiales, que dependiendo del tipo de terreno, orografía, hidrología, sismicidad, entre otros factores, requieren de tratamientos específicos para proteger a las personas e infraestructura ante su inestabilidad.

En el caso de los macizos rocosos, que se ven sometidos a procesos gravitatorios (procesos de laderas), esta condición de inestabilidad se manifiesta mediante desprendimientos de rocas o deslizamientos de terreno. En el caso de que este tipo de procesos ponga en riesgo alguna condición humana, se han desarrollado sistemas de protección o sistemas de estabilización, a pequeña o gran escala. En este caso, nos enfocaremos en los sistemas de protección contra desprendimientos de roca,

SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.

2 Título del trabajo

sistemas en los que se permite la caída o desprendimientos de los materiales, evitando en medida de lo posible, que estos lleguen a la zona que se pretende proteger, ya sea guiándolos, deteniéndolos o mitigando su energía.

En este grupo de sistemas, también se ubican los túneles falsos, las barreras estáticas y muros de varios tipos; los cuales se colocan en el trayecto de bloques de roca o torrentes de detritos en su paso por las laderas.

Las barreras elásticas (o dinámicas), se utilizan cuando existen inestabilidades en una superficie muy amplia, cuyos puntos específicos se manifiestan por presencia de rocas en el piso de taludes de pendiente muy pronunciada.

Como tal, el principio básico de estas barreras es el de contener los fragmentos de roca mediante deformaciones elásticas. En la actualidad existen barreras de diferentes energías y alturas, que van desde 100 kJ y 3 m de altura, hasta 8,000 kJ y 9 m de altura.

3 FUNDAMENTOS TÉCNICOS

Refiriéndose al comportamiento de las rocas cuando estas se desprenden y caen por un talud, las características principales que definen sus trayectorias son: la geometría del talud (inclinación, longitud de la sección transversal, y la rugosidad de la superficie), la propiedades de los materiales sobre el talud (coeficientes de restitución normal y de resistencia a la fricción), la geometría de la roca (tamaño, y forma), y las propiedades de la roca en movimiento (masa), ver figura 1.

Al caer una roca sobre una superficie, la inclinación, desarrollo, e irregularidades son factores que influyen en la aceleración y desaceleración de la misma.

Las propiedades geotécnicas del material sobre la superficie de impacto, influencian el comportamiento de rebote de los caídos, esto a través de los coeficientes de restitución. Estos índices definen la cantidad de energía que el objeto alcanza a mantener durante cada rebote, tanto en dirección normal al impacto (mediante el coeficiente normal de restitución) como en la dirección tangencial (a través del coeficiente tangencial), donde la dirección es paralela a la superficie del talud.

En la determinación de las componentes de la velocidad de una roca en movimiento, es necesario tener una componente vertical (Vn), y una tangencial (Vt). Cuando una roca rebota en un talud, la energía cinética se pierde o disminuye considerablemente, debido al impacto sobre el material superficial y la fricción generada. El coeficiente normal de restitución es también una medida del grado de elasticidad desarrollada por el objeto en un impacto normal al talud y el coeficiente tangencial de restitución, es una medida de la resistencia a la

fricción en movimiento del objeto paralelo a la superficie paralela a la superficie.

Mediante ensayes de campo se ha visto que el tamaño de los cuerpos en movimiento, es un punto crítico para determinar en qué grado, la rugosidad de la superficie influye su comportamiento.

Otro aspecto importante es la forma de las rocas, la cual contribuye al comportamiento aleatorio de los rebotes e influye directamente en la distribución de energía traslacional y rotacional a través del momento de inercia.

Como propiedad fundamental tenemos a la resistencia de la roca ante impactos, pues esta determina si una roca se romperá o se moverá como solido rígido, siendo entonces la fragmentación, un medio de disipación de gran parte de la energía en adición a la obvia reducción de tamaño.

El tamaño final tiene una relación directa entre la energía y momento de inercia, los cuales son fundamentales en los impactos y sus efectos.

Figura 1. Roca en movimiento. Ángulo de impacto (α), inclinación del talud (Ø), variación dela inclinación del talud (θ), velocidad de la roca (V), velocidad normal (Vn), velocidad tangencial (Vt), coeficiente tangencial de fricción (Rt), y coeficiente normal de restitución (Rn).

Para determinar la energía que una barrera necesitará para brindar protección contra caídos de rocas, es necesario calcular la energía del objeto en movimiento mediante la ecuación 1, dada para un cuerpo en movimiento:

( 12 I ω12+12

M V t12 )=12 I ω2

2+12

M V t22

(1)

donde: M= Masa de la roca; I= Momento de inercia de la roca en movimiento; ω1= Velocidad rotacional inicial; ω2= Velocidad rotacional final; Vt1= Velocidad tangencial inicial; Vt2= Velocidad tangencial final.

Para calcular el momento de inercia del cuerpo en movimiento debemos asumir una geometría regular, la cual que puede ser, esférica, de disco o cilíndrica. Asumiendo lo anterior podemos definir los


ROCA

(sólo poner primer autor, ver ejemplo) APELLIDO Inicial del nombre et al. 3

momentos de inercia como se indica en las ecuaciones 2, 3, y 4:

I=2M R2

5Parauna esf é ra (2)

I= M R2

2Para un disco (3)

I= M R2

4+ M L2

12Para un cilindro (4)

Donde R=radio y L=Longitud axial.

Para realizar un análisis de este tipo, en forma bidimensional, se debe de contar el perfil del terreno, por donde la roca siga su trayectoria y asumir de forma tácita que las propiedades geométricas y geotécnicas del cuerpo en movimiento y del material superficial del terreno serán idénticas en cualquier punto, que el cuerpo en movimiento es de forma regular y que no se rompe durante su trayectoria de impacto.

Partiendo de estas consideraciones, después del impacto de una roca en movimiento, la energía cinética total puede expresarse como en la ecuación 5:

E=12

¿)) (5)

En el caso de caída libre de un cuerpo, que es la energía más crítica, se tiene la ecuación 6:

E=12

M V 2

(6)

4 GEOTECNIA Y CAÍDA DE BLOQUES

Debido a que los fundamentos técnicos del análisis de caída de bloques, dependen de las características tanto de los fragmentos de roca, como del terreno en el que rebotan, es la geotecnia el área especializada que define y evalúa dichos parámetros.

Como se mencionó anteriormente, la caída de fragmentos de roca, generalmente se produce en elevaciones o laderas jóvenes y de buena calidad de roca.

Por medio de análisis geomorfológicos y a través de los mapeos geológicos del cantil o talud que se pretenda analizar, se determinan tanto las pendientes y las diversas unidades litológicas que lo constituyen, generando así una idea clara de las

condiciones de fracturamiento que presenta cada litología.

La pendiente del talud, brinda una idea clara del comportamiento de los bloques que se puedan desprender, dividendo estas en tres tipos principales a) Rodamientos, b) Rebotes y c) Caída libre.Figura 2. Tipo de caídas de roca según Arthur M. Ritchie

Por otro lado, resulta obvio que el tamaño de bloque potencial de desprendimiento, deberá de ser establecido.

Este dato se debe de obtener por el especialista en geotecnia mediante levantamientos geomecánicos (a través de cualquier sistema de clasificación) reportando en el la distribución espacial de calidades de roca y la condición de las juntas o fallas que dan forma a los bloques, además de definir las variaciones y porcentajes de tamaño de fragmentos encontrados en el lugar y solo considerando los de mayor tamaño, ver figura 3.



Figura 3. Determinación de tamaño de bloque

Para prever el tipo de movimiento que seguirán los fragmentos en los análisis y en base a la geología estructural y estereografía del cantil, se debe determinar la forma geométrica de los bloques (redondos, tabulares, cubos, etcétera).Además se deberá de conocer, al menos de forma general, el volumen máximo de materiales por desprenderse, dato obtenido mediante mediciones directas, correlaciones con el RQD (Rock Quality Designation), estereografía y clasificaciones geomecánicas.

La resistencia de la roca y los coeficientes de restitución, son características que se pueden determinar en el laboratorio (resistencia de la roca) y en campo, mediante observaciones y mediciones directas (coeficientes de restitución). Además, y de acuerdo a la geología estructural de cada sitio, es factible establecer las vías preferenciales de trayectorias de desprendimientos, las cuales generalmente son las cañadas o arroyos, de acuerdo a la figura 4.

Figura 4. Zonificación de trayectorias

Como punto final y particularmente desde el punto de vista del autor, la aportación más grande de la geotecnia hacia los estudios de desprendimientos, resulta en la identificación del mecanismo de falla que produce la caída de bloques, estableciendo de esa forma prácticamente la guía para la definición de las medidas de mitigación, de acuerdo a la velocidad con que se desarrolle la cedencia de materiales.

5 MECANISMOS DE FUNCIONAMIENTO Y ELEMENTOS QUE COMPONEN LAS BARRERAS ELASTICAS

De acuerdo a los datos empíricos recopilados y al análisis de diversas aleaciones de materiales, estas barreras están actualmente conformadas por aceros de alta resistencia, similares a los utilizados en elevadores y puentes atirantados.

A través de análisis estructural y particularmente con el uso del método del elemento finito, se han podido integrar a estos sistemas, una serie de disipadores de energía capaces de reducir la violencia del impacto de roca y transmitir cargas al material de soporte, el cual generalmente se integra mediante postes de acero anclados al terreno. Esto además se verifica en pruebas a escala real, para evaluar los efectos en la malla (figura 5).

Figura 5. Análisis estructural por elementos finitos y pruebas a escala real.

La red de la barrera se conforma de anillos de acero especial, el cual tiene alta resistencia a la tensión. Una vez que trabajan al 80% de su capacidad, los anillos tienden a formar rectángulos o cuadrados.

Adicionalmente se utilizan disipadores de energía, como un sistema de frenado de absorción de energía por fricción; si con la red de anillos y el sistema de frenado no se llegará a disipar la energía que generó el impacto, la energía restante es transmitida a anclajes colocados sobre el talud y a los de la cimentación de los postes; sin embargo, se ha observado que esto normalmente no sucede, ya que en el diseño de la barrera se integran todas las condiciones para evitar esta condición, excepto en casos extraordinarios.

Los componentes que integran una barrera elástica son en general los siguientes:1. Postes de acero. Los postes de acero tienen el

objetivo de mantener la barrera en posición vertical, de sujeción de cables inferiores y superiores de soporte. Se pueden usar postes con o sin articulación en la base, dependiendo de la energía de diseño de la barrera, anclados al terreno. La separación en entre postes generalmente se encuentra entre 8 y 12 m.

2. Red de protección, hecha de anillos de 30 cm de diámetro, formados con alambres de 3 mm de diámetro, protegidos contra la corrosión con una



aleación de zinc-aluminio, cuya resistencia a la tensión es de 18,000 kg/cm2. Los anillos están unidos entre sí, cada uno en cuatro puntos, dependiendo de la energía de la barrera será el número de alambres de cada anillo.

3. Cables de soporte Son cables superiores e inferiores de acero galvanizado que forman el marco perimetral de la barrera de donde es sujetada la red de anillos con grilletes.

4. Disipador de energía. Se construye a base de dos cables de alrededor de 6 m de longitud y se colocan en la cabeza de los postes, lo cual permite deformaciones adicionales de la red de anillos en la zona de los postes. A su vez se colocan anillos hechos con tubo de aluminio, los cuales absorben los esfuerzos de tensión por fricción al entrar la barrera en funcionamiento, y con esto, disminuir o eliminar la tensión transmitida a los anclajes.

5. Anclajes flexibles. Son anclajes de cable de acero, cuya longitud depende del esfuerzo de tensión requerida por cada barrera y del tipo de terreno a instalarse; estas anclas se colocan en los extremos de la barrera y sobre el talud; sirven para sujetar los cables que mantienen los postes, y a la barrera en general verticalmente. La principal característica de estos anclajes, es que son flexibles y pueden resistir esfuerzos alrededor de un ángulo de 15° respecto a su eje longitudinal.

6. Anclajes en la base de los postes. Su función es anclar los postes al terreno para absorber posibles cortantes y tensiones durante impactos en la barrera. Normalmente son instaladas dos o tres anclas por poste.

7. Grilletes. Son utilizados para sujetar la red de anillos a los cables superiores e inferiores de soporte. También se utilizan para unir los paños de red de anillos.

8. Clips para cables. Son utilizados para los amarres de los cables de acero.

9. Malla ciclónica. Colocada en toda el área de la red de anillos para impedir el paso de rocas pequeñas a través de dicha red.

Figura 6. Imagen de una barrera elástica

Figura 7. Arreglo de una barrera elástica

6 CASO DE LA CENTRAL HIDROELÉCTRICA FERNANDO HIRIART BALDERRAMA

En esta central, existe una problemática representativa de esta condición, debido a que los días 26 de septiembre de 2009 y 4 de julio de 2010, la plataforma de obras de generación se vio afectada por varios impactos de fragmentos de roca aportados por el talud que existe a un lado de ella.

Figura 8. Cantil existente donde se aloja la plataforma de obras de generación

Estos impactos generaron afectaciones en techumbres, fracturamiento de paredes, rotura de vidrios y muros.

A partir de un estudio geológico-geotécnico del sitio se determinaron las condiciones que presenta esta ladera, generando la siguiente información al respecto:



1. El cantil topográficamente, presenta pendientes de entre que oscilan entre 65° - 70° de inclinación respecto a la vertical y una altura de 350m.

La geología que la constituye es una alternancia de calizas micríticas, lutitas calcáreas interestratificadas con lutitas apizarradas y algunos estratos de areniscas calcáreas en estratos de 0,10 a 1,40 m

Figura 9. Fragmento de roca afectando un muro del sitio

2. La geología estructural del sitio, presenta una estratificación cuya actitud buza hacia el interior del macizo rocoso con 20° y dos sistemas de fracturamiento, uno casi paralelo a la ladera (E-W) producto de la descompresión y exposición pero con mayor inclinación y uno perpendicular a este de menor intensidad y en algunas ocasiones de gran continuidad.

3. Los bloques generado de esta geología estructural, se presentan en prismas alargados de peso máximo de 550 kg

4. La roca en sí, presenta excelentes condiciones de resistencia

5. El talud presenta una serie de cañadas que son producto de la geología estructural del sitio, y las cuales son las zonas de aporte continuo de fragmentos de roca, de acuerdo a lo observado en el muro perimetral.

Figura 10. Zonas de concentración de fragmentos

6. La distancia máxima que alcanzaron los bloques registrados en los eventos que afectaron la plataforma, fue de 20 m de la base del talud.

Figura 11. Fragmento de roca afectando un muro del sitio

Utilizando los datos e información anteriores y con apoyo de las secciones topográficas representativas, se realizó un análisis de caída de rocas, utilizando como bloque de análisis, una masa cuyo peso fue mayorado por un factor de tres, permitiendo así evaluar una condición de desprendimientos más desfavorable.

En la figura 13 se muestra el resultado de una de las corridas realizadas, en ella se vez la influencia del muro existente en la retención de fragmentos, captando mucho del porcentaje de bloques desprendidos, además la distancia de rebote máxima que muestra el modelo, coincide con lo visto en el campo, permitiendo así la definición de los coeficientes de restitución que tiene el terreno.

Figura 12. Simulación de desprendimientos de rocas


Muro Perimetral


La siguiente gráfica muestra los resultados obtenidos en esta simulación, en ella se comparan la energía cinética del impacto y su localización en la distancia horizontal (Figura 13).

Figura 13. Envolvente de energía cinética

En esta gráfica se observa el desarrollo de energía de impacto a lo largo del talud, en el cual el máximo valor alcanzado es de más de 1100 kJ.

Las conclusiones a partir de los resultados de esta simulación fueron las siguientes:

1. En todas las secciones, el muro capta desde el 40% hasta el 80% de los fragmentos de roca con un peso de 1,6 toneladas.

2. En algunas de las secciones analizadas, específicamente cerca del muro, hay rebote de bloques lo que traslada una gran cantidad de ellos a la plataforma. Debido a que en esa zona se encuentra una concentración de bloques, la cantidad de caídos disminuirá, ya que los bloques concentrados en el muro amortiguarán los impactos de los subsecuentes.

3. Las secciones que no corresponden a una zona de captación de fragmentos en el muro, son las que más fragmentos envía fuera de la zona del muro, teniendo la mayor longitud de movilización de roca en la plataforma. La energía promedio de impacto en la plataforma es de 1,183 KJ, con una velocidad promedio de 122 Km/h con una elevación de rebote sobre el muro existente de 6.5m, condición que, de existir, es capaz de capaz de averiar losas de concreto.

Debido a que la zona que aporta fragmentos de roca es grande, se consideraron varias opciones para mitigar este peligro, juzgándose opciones y propuestas que iban desde la reubicación de las instalaciones, el reforzamiento de las techumbres, la construcción de un muro de mayor elevación y resistencia, la remoción de las zonas de roca alterada en el sitio o bien la colocación de una barrera flexible.

Después de la evaluación técnico-económica de cada una de las opciones y teniendo en cuenta que la mitigación del riesgo debe de ser inmediata, la solución fue la colocación de la barrera, de la cual solo hacia falta definir sus características, tanto geométricas, de resistencia y de ubicación en el talud.

Para realizar esta evaluación, dentro de las simulaciones realizadas y de acuerdo a la gráfica de la figura 13, se noto que la energía de impacto reducía considerablemente una vez que los fragmentos rebotaban y empezaban a ganar altura.

Ubicando la barrera en estos sitios, se vio que lo abrupto de la topografía exigía labores de colocación en alturas mayores a los 50 metros, lo cual complicaría en mucho los trabajos, por lo que se decidió ubicar la barrera en un punto más accesible, utilizando una barrera de mayor resistencia.

El punto definido se estableció a no menos de 3 metros del muro actual, con una altura de 6 metros y una inclinación de 30° con respecto a la vertical en dirección contraria al talud. Esta geometría como resultado de las simulaciones, exigía tener una resistencia energética de al menos 1500kJ y como resultado, contenía el 100% de los fragmentos que se desprendían (véase el ejemplo de la figura 14).

Figura 14. Simulación de caída de bloques con barrera elástica

El desarrollo que debe de tener esta barrera para brindar protección a las estructuras y personal de la plataforma se definió en 110 metros, longitud definida de acuerdo a la ubicación de las cañadas,


Muro Perimetral

Barrera Elástica


localización de talleres, oficinas y la torre de enfriamiento, estructura de vital importancia en el desempeño de la casa de máquinas, este desarrollo de barrera se muestra en la figura 15.

Figura 15. Desarrollo de la barrera flexible

7 CONCLUSIONES

Este documento hace una breve reseña de la teoría, diseño y aplicación de las barreras elásticas como medida de mitigación de riesgos por desprendimientos de fragmentos de rocas.

Como se pudo observar, la definición de las características de una barrera de este tipo depende en gran manera de la observación de las evidencias registradas en cada impacto de fragmentos, condición que sin lugar a dudas debe de ser evaluado previo a cualquier simulación o estimación dada en este tópico.

Las ecuaciones que se utilizan para la modelación numérica de esta situación, procede de condiciones que magnifican el resultado, lo cual convierte al modelo matemático en aceptable.

Como tal, la recomendación que surge de la redacción de este artículo, radica en que el proceso de degradación de laderas (el cual se pretende mitigar con estos sistemas), es un área que el geotecnista debe tener presente en todo momento, puesto que con visión de las características que favorecen esta situación, se puede prever el efecto (desprendimiento de fragmentos) y tratarlo de forma mas adecuada, evitando en medida de lo posible ubicar construcciones y personal en cercanías de cantiles o laderas que aporten fragmentos de roca, o bien; minimizar la problemática proponiendo acciones preventivas como el amacice del talud y retiro de fragmentos sueltos para que en caso de que sea requerido, la instalación de este tipo de barreas sea menos conservador y mas económico.

8 BIBLIOGRAFÍA

Luis Fonseca, R. (2010), “Aplicación de Membranas Flexibles para la Prevención de Riesgos Naturales”, Geobrugg Ibérica, S.A., Madrid, España.

Christopher L. Jones, Jerry D. Higgins, y Richard D Andrew. (2000), “Colorado Rockfall Simulation Program”, Colorado Department of Transportation, Colorado Geological Survey, y Colorado School of Mines., Denver, Co. USA

Geobrugg AG, Protection Systems. (2010), “Product Manual RXI-150”, Romanshorn, Switzerland.


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