“Manejo de aguas de lluvias en laderas y estabilidad de laderas desde la perspectiva de riesgo” UNIDAD I “La lluvia y sus efectos sobre la estabilidad de laderas”

PRECIPITACIÓN (LLUVIAS) Formas Llovizna Gotas con diámetros de 0.1 a 0.5 mm Velocidad de caída baja: 1 m/seg a < 3 m/seg Lluvia Gotas con diámetros > 0.5 mm Velocidad de caída media: 3 m/seg a < 7 m/seg Chubasco Gotas grandes y dispersas con diámetros > 3 mm Velocidad de caída > 7 m/seg Escarcha Capa de hielo con bolsas de aire Nieve Cristales complejos de hielo Granizo Precipitación en forma bolas o formas irregulares de hielo Diámetro entre 5 y 125 mm Precipitación es la fuente primaria del agua de la superficie terrestre

Origen de la precipitación El origen de precipitación, se asume principalmente gracias a dos fenómenos: Unión de gotas Engrosamiento de la gota por fusión y condensación con otras (coalescencia)

CLASIFICACIÓN DE LA PRECIPITACIÓN Atendiendo al factor que provoca la elevación del aire en la atmósfera, la precipitación se clasifica en: A. Convectiva B. Orográfica C. Ciclónica

A. Precipitación convectiva Propias de tiempo caluroso y de regiones tropicales Son acompañadas de rayos y truenos La precipitación se da por los siguientes procesos: Evaporación Elevación por convección Enfriamiento por ascenso (gradiente) - Adiabático seco (1° C /100m) - Adiabático húmedo o saturado (0.5°C /100m) Las masas de vapor acumulado forman las llamadas Células de Convección.

B. Precipitación orográfica La precipitación se da por los siguientes procesos: Evaporación Empuje del vapor hacia las montañas Enfriamiento por ascenso a lo largo de la montaña Condensación y Precipitación

C. Precipitación ciclónica La precipitación se da por los siguientes procesos: Choque de dos masas con diferente temperatura y humedad Nubes mas calientes impulsadas a las partes altas Condensación y Precipitación Están asociadas con el paso de ciclones o zonas de baja presión.

Estudios realizados en Puerto Rico, (Larsen y Simmon, 1992) encontraron que la intensidad de lluvia (mm/h) que produce deslizamiento depende de la duración de la misma (D horas), según la expresión: I = 91.46 D-0.82 De acuerdo a la investigación, en tormentas que tienen duraciones de hasta 10 horas, los deslizamientos no ocurren hasta que la intensidad alcanza valores tan altos como de dos a tres veces (10 horas) la intensidad.

AGUA SUPERFICIAL Y SUBTERRÁNEA CON RELACIÓN A LA ESTABILIDAD DE TALUDES Es la proporción de precipitación que fluye superficialmente sobre el suelo. Esta energía, que se concentra en corrientes de agua, generalmente actúa como un detonante en taludes inestables y producen deslizamientos. AGUA SUPERFICIAL Durante el escurrimiento superficial, se produce infiltracion y percolación de agua en el suelo y subsuelo, constituyendo las aguas subterráneas (agua freática que forman los acuíferos). AGUA SUBTERRÁNEA

Presiones de poros Disminución o eliminación de las presiones de poros negativos por saturación Lavado de cementantes Erosión interna Aumento de densidad Fuerzas dinámicas Otros mecanismos: como las grietas Otros mecanismos: las rocas, y la supresiones de las capas impermeables El agua subterránea afecta la estabilidad del talud de acuerdo a los siguientes mecanismos básicos:

Presiones de poros Es la presión interna del agua al saturarse en el suelo Tendrá mayor o menor presión de poros, según los niveles freáticos, tipos de acuíferos y las características geológicas El valor se mide utilizando piezómetros Disminución o eliminación de las presiones de poros, negativas por saturación Al saturarse un suelo disminuyen las tensiones capilares o presiones negativas (aniones con cargas negativas) disminuyendo la resistencia La resistencia de un suelo puede variar de un máximo al final de la época seca, a un mínimo durante la época de lluvia y es por eso que posterior a una gran lluvia ocurren los deslizamientos

Lavado de cementantes Erosión interna Aumento de densidad El agua subterránea puede eliminar del talud los cementantes solubles, consiguientemente empobrecer la cohesión y el coeficiente de fricción interna Erosión interna El movimiento del agua subterránea elimina la arena fina y partículas sueltas de las cavidades subterráneas del talud, debilitando así su estabilidad Aumento de densidad La presencia de humedad aumenta la densidad o peso de los materiales de suelo, provocando mayor presión

Fuerzas dinámicas Otros mecanismos Agua subterránea ejerce fuerzas sobre el suelo en la dirección del flujo Para calcular la fuerza de las corrientes de agua se requiere dibujar la red de flujo subterráneo Esta fuerza actúa como un elemento desestabilizante en la masa del suelo Otros mecanismos Como las grietas en las rocas, y la supresiones (eliminación) de las capas impermeables (disminuyendo la resistencia del suelo)

MEDICIÓN DE LA PRECIPITACIÓN Se mide en función de la altura de la lámina de agua que cae por unidad de área Si hp= 1mm Entonces: Volumen= 0.001 m3 o igual a 1 litro Area = 1 m2 hp

Pluviómetro Aparato destinado a medir la cantidad de agua caída, expresada a través de la cantidad de litros o milímetros caídos por metro cuadrado Cualquier recipiente de boca ancha, cuya superficie sea conocida puede servir como pluviómetro; para efectuar las medidas, se utilizará una probeta graduada que dará los cc. de precipitación caídos en el pluviómetro El pluviómetro tipo Hellmann es el instrumento meteorológico más generalizado 20 cm Φ

Estaciones automáticas Registran parámetros hasta cada minuto Bajo costo Pueden ontenerse los datos en tiempo real Proceso se hace mediante un programa especializado

CALCULO DE LA PRECIPITACIÓN MEDIA SOBRE UNA ZONA (SITIO) Los métodos pueden ser utilizados para calcular precipitación media anual o de una tormenta Metodologías: Promedio aritmético Polígonos de Thiessen Isoyetas

a) Promedio aritmético Promedio aritmético, de las alturas de precipitaciones registradas, de las estaciones localizadas dentro de la zona Precisión depende de: Cantidad de estaciones Distribución de estaciones Distribución de lluvias Es un método bueno si hay un gran número de pluviómetros

b) Polígonos de Thiessen Se necesita conocer la localización de las estaciones dentro y fuera del área de estudio Este método se puede utilizare en el laboratorio utilizando SIG

c) Isoyetas Se necesita de un mapa de isoyetas para el área de estudio Este era el método más exacto Se necesita un buen criterio para el trazado de las isoyetas (líneas de igual precipitación) Precipitación orográfica sigue el patrón de curvas a nivel

d) Interpolación espacial (SIG) La interpolación es necesaria: Cuando los datos no cubren toda la región de interés de estudio (datos de estaciones meteorológicas) Métodos Inverso de la distancia ponderada (IDW) Spline Kriging Otros

ESTUDIO DE UNA TORMENTA Tormenta: conjunto de lluvias que obedecen a una misma perturbación meteorológica y de características bien definidas. El análisis de las tormentas, está íntimamente relacionado con los cálculos o estudios previos, al diseño de obras de ingeniería hidráulica, como son: Estudio de drenaje: estimación de caudales máximo Conservación de suelos Cálculo del diámetro de alcantarillas

Dentro de los elementos fundamentales del análisis de las tormentas, hay que considerar: Intensidad Cantidad de H2O caída por unidad de tiempo Lo más importante es la intensidad máxima La intensidad se expresa así: Imax = P / t donde: Imax= intensidad máxima en mm/hora P = precipitación en altura de agua, en mm t = tiempo, en horas

Duración Tiempo entre el comienzo y el fin de la tormenta. Período de duración (PD) = un determinado período de tiempo, tomado en minutos u horas, dentro del total de la tormenta. El PD tiene importancia en la determinación de intensidades máximas. Tanto la intensidad como la duración se obtienen del pluviograma.

Frecuencia (f) Tiempo de retorno (Tr) No. de veces que se repite una tormenta de características de intensidad y duración, definidas en un período de tiempo expresado en años Tiempo de retorno (Tr) Intervalo de tiempo promedio, dentro del cual un evento de magnitud X puede ser igualado o excedido por lo menos una vez en promedio Es el inverso de la frecuencia Se representa como: Tr = 1/f Ejemplo, para una localidad de San Salvador, se presentó una tormenta de intensidad máxima igual a 60 mm/hr, para una duración de 30 min., y un período de retorno de 10 años

EL HIETOGRAMA Y LA CURVA DE MASA DE PRECIPITACIÓN Mediante el hietograma es fácil expresar a qué hora, la precipitación adquirió su máxima intensidad y cuál fue el valor de ésta Matemáticamente este gráfico, está representado por la relación: Donde: i = intensidad; P = precipitación; y t = tiempo

En relación a la curva masa de precipitación, representa la precipitación acumulada en relación al tiempo Se extrae directamente del registro del pluviograma La curva masa de precipitación, es una curva no decreciente, donde la pendiente de la tangente en cualquier punto, representa la intensidad instantánea en ese tiempo

Su cálculo se realiza mediante una regla de tres simple, obteniéndose: A. Proceso para el análisis de una tormenta registrada por un pluviograma Conseguir el registro de un pluviograma Realizar una tabulación con la información obtenida del pluviograma, en forma similar a la mostrada en la tabla de la diapositiva siguiente, donde sus columnas son: (1) Hora: se anota las horas en que cambia la intensidad, se reconoce por el cambio de la pendiente, de la línea que marca la precipitación (2) Intervalo de tiempo: es el intervalo de tiempo entre las horas de la columna (1) (3) Tiempo acumulado: es la suma sucesiva de los tiempos parciales de la columna (2) (4) Lluvia parcial: es la lluvia caída en cada intervalo de tiempo (5) Lluvia acumulada: es la suma de las lluvias parciales de la columna (4) (6) Intensidad: es la altura de precipitación referida a una hora de duración, para cada intervalo de tiempo Su cálculo se realiza mediante una regla de tres simple, obteniéndose:

Dibujar el hietograma, esto se consigue ploteando las columnas (3) vs (6) El hietograma permite apreciar objetivamente como varía la intensidad durante la tormenta Dibujar la curva masa de precipitaciones, esto se consigue ploteando las columnas (3) vs (5) Finalmente se calcula la intensidad máxima para diferentes períodos de duración. Los períodos de duración más utilizados son: 10, 30, 60, 90, 120 y 240 min

Ejemplo:

Calculo de Intensidades Máximas I max = 6 mm/h Es la misma intensidad para los valores que son menores a una hora Imax10 min= 6 mm/h Imax30 min= 6 mm/h Duraciones de más de 60 minutos Imax90 min=

Duraciones de más de 60 minutos Imax120 min= A mayor período de duración menor intensidad máxima

B. Análisis de frecuencia de las tormentas Para el análisis de las frecuencias de las tormentas, hacer lo siguiente: 1. Analizar todas las tormentas caídas en el lugar, siguiendo el proceso ya indicado, es decir, para cada tormenta hallar la intensidad máxima, para diferentes duraciones 2. Tabular los resultados en orden cronológico, tomando la intensidad mayor de cada año para cada período de duración (10, 30, 60, 120 y 240 min), en una tabla similar a la mostrada

Ordenar en forma decreciente e independiente del tiempo, los valores de las intensidades máximas correspondientes a cada uno de los períodos de duración. Para cada valor, calcular su período de retorno utilizando la fórmula de Weibull:

Construir las curvas intensidad - duración - período de retorno (i- d-T). Para la elaboración de estas curvas, hacer lo siguiente: Trazar los ejes de coordenadas; en el eje X, colocar las duraciones (en min), mientras que en el eje Y, colocar los valores de las intensidades (en mm/hr) Para un período de retorno T (en años) ubicar los pares (duración, intensidad), para ese período de retorno T Trazar una curva que una los puntos (duración, intensidad). Repetir los dos últimos pasos para otros valores de T Calcular la intensidad máxima para una duración de 60 minutos y un período de retorno de 10 años

INFILTRACIÓN Esquema del ciclo hidrológico La infiltración es el proceso por el cual el agua en la superficie de la tierra entra en el suelo. Si la tasa de precipitación excede la tasa de infiltración, se producirá escorrentía La infiltración está gobernada por dos fuerzas: la gravedad y la acción capilar En lo concerniente a la infiltracion, es importe tener presente el ciclo hidrológico: Esquema del ciclo hidrológico

Gracias