EVALUACIÓN DE TALUDES ROCOSOS by Luisín Armando León Cóndor

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Evaluación de la estabilidad en taludes rocosos. Aplicación del SMR mediante un SIG CONFERENCE PAPER · NOVEMBER 2001

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3 AUTHORS, INCLUDING: C. Irigaray

José Chacón

University of Granada

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EVALUACIÓN DE LA ESTABILIDAD EN TALUDES ROCOSOS. APLICACIÓN DEL S.M.R. MEDIANTE UN S.I.G.

IRIGARAY, Clemente (1), FERNÁNDEZ, Tomás (2) y CHACÓN, José (1) (1) Departamento de Ingeniería Civil. Universidad de Granada. E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Edificio Politécnico, Campus de Fuentenueva s/n. 18071. GRANADA. clemente@ugr.es, jchacon@ugr.es (2) Departamento de Ingeniería Cartográfica, Geodésica y Fotogrametría. Escuela Politécnica Superior de Jaén. Universidad de Jaén. Virgen de la Cabeza, 2. 23071 JAEN. tfernan@ujaen.es

RESUMEN La clasificación geomecánica SMR (Slope Mass Rating) constituye un método de estudio de la susceptibilidad a la rotura de taludes rocosos. El índice SMR se obtiene a partir de RMR (Rock Mass Rating) básico de Bieniawski, de un “factor de ajuste” que es función de la orientación y buzamiento del talud y de las discontinuidades y de un “factor de excavación” que depende del método utilizado para excavar el talud. En este trabajo se presentan la metodología utilizada y los resultados obtenidos en la cartografía de la susceptibilidad a la rotura en taludes rocosos a partir de la determinación del índice SMR mediante el Sistema de Información Geográfico (SIG) Arc-Info. Algunos de los datos utilizados se han obtenido a partir del Modelo Digital de Elevaciones (MDE) y otros mediante el análisis estadístico de parámetros medidos sobre el talud. La metodología se ha aplicado a los taludes de la carretera nacional N-340 entre la playa de la Arraijana y Castell de Ferro (Granada, España), con un total de 40 taludes estudiados a lo largo de una distancia lineal de 4 Km. Como resultado se han obtenido la cartografía de cada uno de los factores que condicionan el índice SMR, así como la valoración de la estabilidad global de la superficie del talud. Finalmente se discute la validez y limitaciones de los resultados obtenidos.

INTRODUCCIÓN Aunque existen numerosas clasificaciones geomecánicas para analizar la estabilidad de taludes rocosos, algunas no consideran el ajuste debido a la relación entre las orientaciones

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relativas de las discontinuidades de la masa rocosa y del talud (Selby, 1980; Kirkaldie, 1985), mientras que otras resultan difíciles de aplicar por el gran peso relativo de los factores de ajuste (Bieniawski, 1973). La clasificación geomecánica SMR (Slope Mass Rating) (Romana, 1985; 1991) aporta una sistemática para la cuantificación de los factores de ajuste y constituye un método útil para analizar la susceptibilidad a la rotura de taludes rocosos. El espectacular aumento de la disponibilidad de ordenadores en la última década y el desarrollo de los Sistemas de Información Geográfica (SIG) para el análisis espacial ha generado nuevas oportunidades para un estudio más rápido y detallado de la susceptibilidad a movimientos de ladera en general y para la estabilidad de taludes rocosos en particular, compatible con el necesario rigor en el análisis del problema. Desde la aparición de la clasificación SMR (Romana, 1985), ha sido aplicada para numerosos anteproyectos y estudios previos en muchos países; sin embargo, en ninguno de ellos se ha utilizado de forma automática mediante la potentes herramientas que proporcionan los Sistemas de Información Geográfica (SIG). En España, solamente en algunos trabajos pioneros sobre el uso de los SIG en el análisis de susceptibilidad a los movimientos de ladera en macizos rocosos (Chacón et al., 1992; Fernández et al., 1994), se desarrolla una aplicación parcial de la clasificación SMR. En este trabajo se presentan la metodología utilizada y los resultados obtenidos en la cartografía de la susceptibilidad a la rotura en taludes rocosos a partir de la determinación del índice SMR mediante el SIG Arc-Info.

LOCALIZACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE LOS TALUDES ESTUDIADOS La zona se localiza en la costa granadina (Andalucía, España) a unos 15-20 Km al Este de Motril (figura 1). Desde el punto de vista geológico pertenece al Complejo Alpujárride de las Zonas Internas de las Cordilleras Béticas. Concretamente se enclava en la cobertera de materiales carbonatados de la unidad de Murtas, de edad Triásica (Aldaya, 1981), aunque puntualmente afloran las filitas permotriásicas infrayacentes. Se han analizado 13 taludes rocosos principales de la carretera nacional N-340 entre la playa de la Arraijana y Castell de Ferro (Granada, España), totalizando una distancia de 4 Km. La zona de estudio se limitó a la superficie comprendida entre la carretera y una cota situada entre 15 y 20 m por encima de la corta del talud. Algunos de estos taludes se han subdividido en tramos, bien porque la planta del talud era curva o bien porque se ha observado diferencias litológicas o estructurales. En total se han estudiado 40 unidades de talud, las cuales se pueden considerar homogéneas respecto a sus características geomecánicas.

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ESPAÑA

Granada

Motril

Castell de Ferro

Km 0

40 64

40 CN-3

UNIDADES GEOLOGICAS Punta del Grajo

40 63

Playa de la Arraijana

O ANE R R E IT MED MAR

Calahonda 4 64

4 65

4 66

Materiales postorogénicos Conglomer. y arenas Manto de Murtas Mármoles

40 62

Filitas

4 67

Figura 1. Localización de la zona de estudio.

En diferentes campañas de campo realizadas durante los veranos de 1998 y 1999, se ha llevado a cabo un reconocimiento general y una caracterización geomecánica detallada de cada una de las unidades de talud (o simplemente taludes) diferenciados. Con posterioridad al estudio de campo, se procedió a identificar las familias de discontinuidades presentes en cada talud. Para ello, se llevó a cabo un estudio, utilizando el programa DIPS v 5.0, de los datos de buzamiento y dirección de buzamiento tomados para cada discontinuidad. En todos los taludes se han identificado 4 familias de discontinuidades, aunque no siempre presentan la misma orientación y buzamiento de un talud a otro. Una vez identificadas las familias de discontinuidades para cada talud, se realiza un análisis estadístico de los datos geomecánicos correspondientes a cada una de ellas, con objeto de obtener valores representativos de cada parámetro analizado.

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ANÁLISIS DE LA SUSCEPTIBILIDAD. METODOLOGÍA. La susceptibilidad a la rotura de los taludes rocosos se ha analizado en función de la clasificación geomecánica SMR (Slope Mass Rating) (Romana, 1985; 1991). El índice SMR se obtiene a partir de RMR (Rock Mass Rating) básico de Bieniawski (Bieniawski, 1973; 1979), de un “factor de ajuste” que es función de la orientación y buzamiento del talud y de las discontinuidades (obtenido como el producto de tres subfactores: F1*F2*F3) y de un “factor de excavación” (F4) que depende del método utilizado para excavar el talud: SMR = RMR + (F1*F2*F3) + F4

Determinación del índice SMR mediante el S.I.G. Arc-Info Variables primarias referentes a los taludes. La variable TALUDES representa la unidad básica de trabajo. Puede estar constituida por un talud principal completo o parte de un talud. Tiene topología de polígono y se obtiene por digitalización una vez reconocidas las distintas unidades en el campo. Esta variable incluye los siguientes campos: -

NOMBRE: Identificación del talud. PROTEC: Medidas de protección, refuerzo o sostenimiento del talud. DAÑOS: Estado general de daños que presenta el talud. CO-MPA: Resistencia a la compresión simple de la matriz rocosa en MPa. EXCAVA: Método de excavación del talud según los criterios de Romana (1985) (valores entre 0 y 15).

Variables primarias referentes a las discontinuidades. A partir de TALUDES y del análisis estadístico de las discontinuidades, se construyen las variables FAMILIAi, donde i varía entre 1 y 4 (familias de discontinuidades presentes en cada talud). Estas nuevas variables tienen topología de polígono e incluyen los siguientes campos: -

NOMBRE: Nombre identificativo de talud. Igual que en TALUDES. BUZAM: Buzamiento de la familia de discontinuidades. DIREBUZ: Dirección de la línea de máxima pendiente de la familia. SM-M: Espaciado medio de la familia de discontinuidades en metros. PERSIS: Valoración de la persistencia o continuidad de la familia de discontinuidades siguiendo los criterios de Romana (1992) (valores entre 0 y 5). RUGOR: Valoración de la rugosidad y relleno de los bordes de las discontinuidades siguiendo los criterios de Romana (1992) (valores entre 0 y 10). ABERT: Valoración de la separación o abertura entre los bordes de la familia de discontinuidades siguiendo los criterios de Romana (1992) (valores entre 0 y 9). METEOR: Valoración del grado de meteorización de los bordes de la familia de discontinuidades siguiendo los criterios de Romana (1992) (valores entre 0 y 6).

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FLUJO: Parámetro de flujo de agua en las juntas, utilizando directamente los valores propuestos por Bieniawski (1979) (valores entre 0 y 15).

Variables derivadas del MDE. El Modelo Digital de Elevaciones (MDE) se obtuvo a partir de datos lineales (curvas de nivel y líneas de vaguadas) y puntuales (cotas de puntos singulares) mediante la función “Topogrid interpolation”. La información topográfica y cartográfica utilizada la llevó a cabo la Diputación de Granada en 1998 a escala 1:2.000 y equidistancia de 1 m. La variable resultante MDE tiene estructura “grid” con 2 m de tamaño de celda. El mapa de pendientes (PEND) y orientaciones (ORIENT) de la zona estudiada se obtuvieron a partir de MDE con las funciones “Slope” y “Aspect” respectivamente.

Variables secundarias. Las variables secundarias tienen estructura “grid” y se obtienen a partir de las variables primarias y/o variables derivadas del MDE: -

Variable V1: Parámetro de resistencia a la compresión simple. Bieniawski (1993) propone una curva para el cálculo de este parámetro. En la zona de estudio, los datos obtenidos mediante esclerómetro varían entre 18 y 40 MPa. Para este rango de valores, la mencionada curva se ajusta a las siguientes expresiones: V1= 1 + 0,1 * CO V1= 0,9 + 0,1 * CO V1= 0,8 + 0,1 * CO

Si CO < 20 Si 20 CO < 30 Si 30 CO 40

La variable CO (resistencia a la compresión simple) se obtiene transformando el polígono TALUDES (campo CO-MPA) en grid. -

Variable V2: Parámetro del RQD (Rock Quality Designation). Para el cálculo de este parámetro Bieniawski (1993) propone una curva, la cual se ajusta aproximadamente a las siguientes expresiones: V2= 3 + 0,1 * RQD V2= 2 + 0,15 * RQD V2= 0,2 * RQD

Si RQD 20 Si 20 < RQD < 40 Si RQD 40

El RQD se suele obtener a partir del porcentaje de recuperación de testigos en sondeos (Deere et al., 1967). Dada la imposibilidad de efectuar sondeos en este trabajo, se ha optado por estimar el RQD a partir de la fórmula propuesta por Palmstrom (1975):

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RQD = 115 – 3,3 * JV Donde JV es el índice volumétrico y se obtiene como: JV = (1/SMi) Siendo SMi el espaciamiento medio, expresado en metros, de cada una de las familias de discontinuidades de discontinuidades existentes en el talud. Las variables SMi se obtienen transformando los polígonos FAMILIAi (campo SMM) en grid. -

Variables V3i: Parámetro de separación entre las discontinuidades de cada familia. Como en los casos anteriores, Bieniawski (1993) propone una curva para el cálculo de este parámetro en función del espaciamiento medio de cada familia de discontinuidades. En la zona de estudio, el espaciado medio entre discontinuidades siempre es inferior a 0,3 m. Para valores inferiores a 1 m, la mencionada curva se ajusta aproximadamente a la siguiente expresión: V3i = -5,17 * (SMi)2 + 14,57 * SMi + 5

Variables V4i: Parámetro de condición de las familias de discontinuidades. Este parámetro se evalúa como la suma de 4 subparámetros relativos a las discontinuidades: V4i = PERSISi + RUGORi + METEORi + ABERTi Las variables PERSISi, RUGORi, METEORi y ABERTi se obtienen transformando los polígonos FAMILIAi (campos PERSIS, RUGOR, METEOR y ABERT) en grid.

Variables V5i: Parámetro de flujo de agua en cada familia de discontinuidades. Estas variables se obtienen transformando los polígonos FAMILIAi (campo FLUJO) en grid.

Variables RMRi: Rock Mass Rating de cada familia de discontinuidades. Se obtiene como la suma de V1, V2, V3i, V4i y V5i: RMRi = V1 + V2 + V3i + V4i + V5i

Variables F1i: Factor de ajuste debido al paralelismo entre la dirección de cada familia de discontinuidades y la dirección de la superficie del talud. El subfactor de ajuste F1 fue establecido de forma empírica con valores comprendidos entre 1 y 0,15 (Romana,

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1985), aunque para su cálculo automático se puede utilizar la siguiente expresión (Romana, 1997): F1i = (1- sen DIREBUZi - ORIENT )2 Las direcciones de las familias de discontinuidades (DIREBUZi) se obtienen transformando los polígonos FAMILIAi (campo DIREBUZ) en grid. La dirección de la superficie del talud viene determinada por la variable ORIENT (orientación para cada celta). -

Variables F2i: Factor de ajuste debido al buzamiento de cada familia de discontinuidades. El subfactor de ajuste F2 también fue establecido de forma empírica con valores comprendidos entre 1 y 0,15 (Romana, 1985), pero puede ajustarse aproximadamente según las siguientes relaciones (Romana, 1997): F2i = tg2 BUZAMi F2i = 1

Si BUZAMi 45 Si BUZAMi > 45

Los buzamientos de las familias de discontinuidades (BUZAMi) se obtienen transformando los polígonos FAMILIAi (campo BUZAM) en grid. -

Variables F3i: Factor de ajuste debido a la relación entre los buzamientos de cada familia de discontinuidades y el buzamiento del talud. El subfactor de ajuste F3 se corresponde con los valores propuestos por Romana (1997) para roturas planas o roturas toppling. Las variables F3i se estiman considerando el tipo de rotura más desfavorable y varían entre 0 y –60, según la relación entre BUZAMi y PEND.

Variable F4: Factor de ajuste debido al método de excavación. Se obtiene transformando los polígonos TALUDES (campo EXCAVA) en grid.

Variables SMRi: Slope Mass Rating de cada familia de discontinuidades. Se obtienen como: SMRi = RMRi + (F1i * F2i * F3i ) + F4

Discusión de resultados. Valoración de la susceptibilidad La susceptibilidad a la rotura del talud rocoso se evalúa en función de los valores obtenidos de SMR según la tabla 1 (Romana, 1985).

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Tabla 1. Clases de estabilidad según el SMR (Romana, 1985). CLASE I

SMR 0-20

DESCRIPCION ESTABILIDAD Muy mala Totalmente inestable

II III

21-40 41-60

Mala Normal

IV V

61-80 81-100

Buena Muy buena

Inestable Parcialmente estable Estable Totalmente estable

ROTURAS Grandes roturas por planos continuos o por la masa Juntas o grandes cuñas Algunas juntas o muchas cuñas Algunos bloques Ninguna

TRATAMIENTO Reexcavación Corrección Sistemático Ocasional Ninguno

Llegados a este punto, cabe preguntarse qué valor de los SMRi obtenidos consideramos para valorar la susceptibilidad. En principio, podríamos hacerlo en función del índice menor de ellos (más desfavorable) (SMRMIN). Sin embargo, hemos hecho una serie de consideraciones previas, tales como presuponer que todas las familias de discontinuidades están presentes de forma regular a lo largo de todos los taludes, lo cual resulta más desfavorable de lo que cabe esperar en realidad. Además, el índice SMR en general parece ligeramente pesimista (Zuyu, 1995; Romana. 1997). Por estas razones se puede considerar un valor de SMRi menos desfavorable como es la media aritmética de todos ellos (SMRMED). Con objeto de determinar cual de estas dos posibilidades se ajusta mejor a datos reales observados en el campo, se han comparado los daños observados en cada uno de los taludes con estas dos variables. La tabla 2 recoge los resultados del análisis cruzado entre el índice SMR mínimo y SMR medio con los daños observados en los taludes. Si consideramos el SMR mínimo, se puede apreciar que en 9 taludes, existe una correspondencia entre la estabilidad observada y la susceptibilidad valorada según SMRMIN, en 19 casos la susceptibilidad a la rotura era mayor a la observada en un grado, en 8 casos la susceptibilidad era mayor en dos grados y en 4 casos la susceptibilidad era mayor en tres grados. En consecuencia podemos decir que la valoración de la susceptibilidad según el índice SMR mínimo resulta muy conservadora, obteniéndose en general valores de estabilidad inferiores a los reales. Por el contrario, si consideramos el SMR medio (SMRMED) los resultados de este análisis cruzado son los siguientes: 29 taludes clasificados correctamente, 1 talud valorado con una susceptibilidad inferior a la real y 10 taludes con susceptibilidad mayor a la observada (5 en un grado y otros 5 en dos grados). Como conclusión podemos decir que, con los criterios adoptados en este trabajo, resulta más adecuado valorar la susceptibilidad a la rotura del macizo rocosos mediante el valor medio de los índices SMR obtenidos para cada familia de discontinuidades. La figura 2 muestra el mapa de susceptibilidad obtenido según este criterio.

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Tabla 2. Número de taludes obtenidos como resultados del análisis cruzado entre los daños observados en los taludes estudiados y la susceptibilidad valorada con el índice SMR mínimo (*) y con el índice SMR medio (+).

DAÑOS

I. Totalmente inestable II. Inestable III. Parcialmente estable IV. Estable V. Totalmente estable

I. Muy Mala 0 (*) 0 (+) 3 (*) 0 (+) 2 (*) 0 (+) 0 (*) 0 (+) 0 (*) 0 (+)

II. Mala 0 (*) 0 (+) 2 (*) 4 (+) 16 (*) 0 (+) 1 (*) 0 (+) 4 (*) 0 (+)

SUSCEPTIBILIDAD III. Normal IV. Buena 0 (*) 0 (*) 0 (+) 0 (+) 0 (*) 0 (*) 1 (+) 0 (+) 7 (*) 0 (*) 25 (+) 0 (+) 0 (*) 0 (*) 1 (+) 0 (+) 5 (*) 0 (*) 5 (+) 4 (+)

V. Muy buena 0 (*) 0 (+) 0 (*) 0 (+) 0 (*) 0 (+) 0 (*) 0 (+) 0 (*) 0 (+)

CONCLUSIONES Los mapas de susceptibilidad a los movimientos de ladera proporcionan una información valiosa sobre las condiciones de estabilidad de amplias zonas, lo que representa una gran utilidad tanto en la fase de planificación del trazado de grandes obras públicas como en su fase de ejecución, a la hora de adoptar las oportunas medidas de prevención y corrección. Las clasificaciones geomecánicas en general y el SMR en particular permiten valorar la susceptibilidad a la rotura de macizos rocosos. La clasificación SMR es bastante sencilla, rápida y puede ser aplicada mediante las herramientas que proporcionan los Sistemas de Información Geográfica. La automatización del cálculo de este índice supone aceptar una serie de hipótesis que, en general, son más desfavorables que las condiciones reales. Por esta razón se ha considerado como valor representativo de la susceptibilidad a la rotura de taludes rocosos el valor medio del índice SMR obtenido para las diferentes familias de discontinuidades. La comparación entre el mapa de susceptibilidad así obtenido con los daños observados sobre el terreno, permite decir que la metodología propuesta explica de forma bastante eficaz la distribución espacial de los fenómenos de inestabilidad. Sin embargo, no hay que olvidar que este tipo de clasificaciones geomecánicas no deben utilizarse aisladamente y sólo son válidas en las fases preliminares y/o de reconocimiento.

AGRADECIMIENTOS Esta investigación ha sido financiada por el proyecto de la CICYT “Cartografía y análisis de movimientos de masa y riesgos asociados en taludes y laderas excavadas en macizos rocosos metamórficos mediante un Sistema de Información Geográfica: Aplicación a la cuenca de Gualchos-Rubite-Polopos-Sorvillán (Granada)”, Ref. AMB97-1091-C06-06.

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4 65

4 66

4 67

40 64

CLASE DE SUSCEPTIBILIDAD (S.M.R.) Mala (21-40) Normal (41-60) Buena (61-80) CN-340

Punta del Grajo

ERRANEO IT D E M R MA Punta del Condenado

100

100 200 300 400 METROS

Figura 2. Mapa de susceptibilidad a la rotura del talud rocoso (SMR medio).

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40 63

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