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DESCRIPCION Y ANALISIS DE LA MECANICA DE HUAICOS EN LA REGION DE AREQUIPA Salazar Huaman G.; Orellana Arapa J.; Perez Valdivia F.; Mamama Ponce J.; Anahua R. EPG-Universidad Católica de Santa María, Urb San José s/n Umacollo-Arequipa, P erú La destrucción de carreteras, el rompimiento de
1. Resumen
tuberías, y la frecuente interrupción de servicios
El propósito de este paper fue realizar una descripción y análisis de los conceptos que gobiernan un flujo de detritos que es conocido como huayco, ya que este es un fenómeno natural que afecta fuertemente a nuestra localidad, especialmente en los meses de enero y febrero. Con lo cual se propuso primero primero realizar una descripción descripción del modelamiento teórico-matemático de un flujo de este tipo, para luego realizar su posterior análisis, es así que para realizar este estudio tomamos como base algunas hipótesis como son la de “Talud infinito”, “Modelo de Bingnamk”, “Modelo de Takahushi” y Mecanica de suelos”, así lograr comprender y clasificar como es que se puede ver un huayco en el campo de la ingeniería, e identificar además los factores geológicos que originan a este con el objetivo de que esta investigación sirva como base para identificar, alertar y prevenir de las zonas de riesgo que tenemos en la ciudad de arequipa.
básicos se han vuelto un problema frecuente por lo que es necesario hacer una descripción y un análisis de la mecánica de huaicos en la región de Arequipa. El presente análisis permitirá brindar una mayor información sobre el deslizamiento de tierra causados por las precipitaciones y así entender su comportamiento.
3. Marco Teórico 3.1. Concepto de fluido
Se denomina fluido a todo objeto que no presenta forma propia pero presenta volumen, además este al ser sometido a un esfuerzo cortante por más mínimo que sea deformara el cuerpo este puede ser liquido o gaseoso dependiendo
de su
densidad un líquido no cambia su densidad por lo que es casi incompresible.
2. Introducción La región de Arequipa y especialmente sus
3.2. Concepto general de huaicos:
distritos poseen características desérticas y
El huaico (palabra en quechua que español
semidesérticas sin embargo a pesar de ello sufre
significa quebrada), otra definición seria como
de precipitaciones en la estación lluviosa del año
flujo de detritos o de escombros, es un fenómeno
(Enero y Febrero) estas a su vez vez en conjunto con
geológico de drenaje natural, de lluvias cortas y
la
torrenciales,
topografía
inclinada
de
la
región
que
producen
una
erosión,
periódicamente generan torrenteras y avenidas
transporte y depósitos rápidos y violentos de
las cuales producen inundaciones y flujos de
materiales, en una cuenca pequeña y con
escombros también llamados huaicos afectando
pendiente pronunciada.
los asentamientos humanos y generando pérdidas ya sea tanto la de vidas humanas como perdidas económicas millonarias al gobierno regional.
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ideal se reduce y, por tanto, lo hace más fluido. c)
Licuefacción de suelos: -Licuación Verdadera: Se refiere a una repentina pérdida de resistencia y en el que la masa de suelos fluye asemejándose a un fluido viscoso. -Movilidad Cíclica o Licuación:
Fuente: Diario el Comercio
Corresponde a la disminución de la 3.3. Concepto de flujo de escombros:
rigidez asociada al incremento de
“Los flu jos de escombros ocurren cuando masas
presión de poros durante una
de sedimento pobremente graduadas, agitadas y
solicitación cíclica, y que conlleva
saturadas de agua, caen precipitadamente por
a un aumento considerable de las
efecto de la atracción de la gravedad”; Según
deformaciones.
Iverson (1997).
3.3.2 Fluidos Newtonianos y no newtonianos
Existen tres tipos de flujo. a)
a) Fluidos Newtoniano: fluido que tiene una
Los flujos de lodo: generalmente
viscosidad constante y cumple con la ley de la
consisten de altas concentraciones de
viscosidad de Newton.
Ʈ = µ.
partículas finas (limos y arcillas). b)
El flujo hiperconcentrado: está formado por una mezcla de partículas gruesas y agua. sedimentos en el flujo varía de 20% a 60%.
c)
El flujo de detritos: los sedimentos
b) Fluidos no Newtoniano: fluidos que tiene una viscosidad variable respecto a la temperatura y no cumple con la ley de viscosidad de Newton.
controlan totalmente el flujo y el
c) FLO-2D: es un modelo de transito dinámico
componente agua es menos importante.
de avenida de 2 dimensiones, que simula flujo en
3.4. Comportamiento mecánico de un huaico:
canales, superficies no confinadas y flujo en calles. Su aplicación es para flujos de avenida,
3.4.1. Dinámica de los huaicos:
flujo Hiperconcentrado y flujo de escombros.
Para poder movilizarse el huaico es mediante tres
4. Descripción de los huaicos
mecanismos, los cuales pueden ocurrir de manera simultánea y sinérgica:
4.1. El tipo de flujo de escombro que hay en Arequipa:
a)
Falla de coulomb: el esfuerzo de corte
límite ( ) para un material de suelo no-
b)
Nosotros llamamos a un huayco al flujo de tierra
cohesivo en una variación de altura
y escombros que trae un rio formado por la lluvia
(pendiente)
.En Arequipa nosotros podemos ver este
Temperatura granular: Es cuando a altas
fenómeno en 6 torrenteras, las cuales cruzan por
temperaturas, la densidad de un gas
la ciudad, estas a su vez tienen las capacidades pluviométricas que se muestran:
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huaycos por lo cual clasificar a estos como se
TABLA1 TORRENTERA
P máx. C máx.
POLANCO
36.82
39.48
SAN LANZARO
40.64
43.74
Tomando
MIRAFLORES
63.62
19.64
mostrados anteriormente y las características de
MARIANO MELGAR PAUCARPATA
40.83 41.72
69.20 30.40
cada torrentera podemos decir que flujo de
ZAMACOLA
17.55
21.00
P máx.: precipitación media máxima [
C máx.: caudal madia máxima [
]
indica a continuación. como
base
los
acontecimientos
escombros es el que sucede en la ciudad de Arequipa, a su vez ya que los huaycos
solo
suceden cuando la precipitación es muy grande y
3 ]
el caudal de los flujos que atraviesan las torrentera, es decir que el líquido y el cimiento,
Comentario Tabla 1: La torrentera de Mariano
tendrá
Melgar tiene la precipitación más alta y por a la
entonces estos serían clasificados como flujos
vez el caudal más alto.
Hiperconcentrado porque en este flujo los
En
los
estudios
Geológico
realizados
Minero
por
y
Instituto
Metalúrgico
(INGEMMET), el huayco es un tipo de flujo de
porcentajes
parecidos
en
volumen
cimientos tienen un porcentaje de 20%-60% en volumen y el resto lo compone agua.
5. Análisis de los huaicos
escombros de las cuales existen 3 tipos, los cuales se muestran en el siguiente esquema 1:
Para que se inicie un huayco en Arequipa nosotros sabemos que primero tiene que ver una lluvia pero el momento para que empiece el desprendimiento de sedimentos rocas y tierras
Flujo de escombros
tiene que superar el esfuerzo de corte máximo y en la fórmula de coulomb lo plantea de esta
Huayco
forma: 3 F. Huayco
= +
F. Detrito
F. Lodo
Donde: F. Hiperconcentrado
Huaycos de Arequipa
C es la cohesión es el esfuerzo normal. es el angulo de fricción interna.
Esta fórmula de Coulomb tiene dos puntos muy
ESQUEMA 1: En este esquema podemos observar los tipos de flujos de escombros que se presentan productos de los corrimientos de tierra (elaboración propia)
importantes, primero el esfuerzo normal que es la presión de poros, (la presión de poros es una en la
presión cuya dirección es perpendicularmente
ciudad de Arequipa como: huaico sobre la
hacia la superficie del flujo), y va afectar
Variante de Uchumayo 27-01-2017 y un colapso
dependiendo si el terreno es colapsable, cuando
de la torrentera la avenida Venezuela enero del
es así la presión de poros va hacer que el
2013, nos dan a entender que la ciudad de
desprendimiento sea rápido, en cambio si el suelo
Arequipa es una zona muy propensa a los
es compacto, primero las lluvias van hacer que
Según los acontecimientos ocurridos
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la tierra se dilate hasta que la presión de poros sea máxima
licuefacción del suelo una vez que la falla de Coulomb ocurre y la cohesión se pierde. 5.2. Comportamiento De Flujo:
Además la formula depende de la cohesión del suelo hacia las rocas o el suelo mismo y cuando este se empieza a mover y desprender, la cohesión es nula. 5.1. Hipótesis A Tomar
5.2.1. Reologia modelamiento numérico y conservación de la cantidad de movimiento Los modelos numéricos resuelven las ecuaciones de conservación de la masa y la cantidad de movimiento. Dichas ecuaciones son las siguientes:
+ = 0
Para la descripción del flujo de escombros es necesario asumir ciertas hipótesis de aproximación a)
Talud infinito:
Permiten construir modelos de una dimensión (el largo y el ancho de la masa de suelo a movilizarse, la cual es mucho mayor que su espesor), lo que permite realizar el cálculo de los esfuerzos mediante la estática. También se asume que la masa de suelo tiene o tendrá suficiente contenido de agua para saturar todos los poros. b)
Modelo de Bingnam
Sostiene que la falla del suelo con determinada cantidad de agua sólo puede ocurrir a una profundidad tal que exceda al esfuerzo máximo que soporta el suelo (falla de Coulomb). No considera los efectos de los cambios dinámicos que puedan modificar la respuesta del suelo. c)
Modelo de Takahushi:
Se trata de un talud en la que el suelo se encuentra completamente saturado y se tiene una corriente de agua superficial. Este último criterio fue añadido para tener la posibilidad que la falla pueda ocurrir con cualquier ángulo de inclinación del talud. Aun así, el ángulo de
∅ 2
inclinación se restringe a para la mayoría de los
∅
suelos, donde es el ángulo de fricción interna del suelo. Por tanto, este modelo es aplicable a taludes con poca inclinación y en donde las inundaciones impongan una sobrecarga de agua de forma abrupta. Aquí, no se toma en cuenta la posibilidad que ocurra licuefacción. d)
Modelo de mecánica de suelos:
El flujo de escombros está conformado por dos fases (sólida y líquida) en donde la presión del fluido excede niveles hidrostáticos. Lo último ocurre debido a que el flujo de agua en el interior del suelo es suficiente como para provocar la
+ + = −(1 − ) +(1− ) + 1 − En las dos ecuaciones anteriores, x representa al eje de coordenadas en el sentido de la corriente, y representa al eje de coordenadas en la dirección normal hacia arriba, u y v denotan las correspondientes velocidades del flujo, D es el espesor del flujo, y son las densidades de los sólidos dentro de la composición acuosa y de la matriz fluida respectivamente, S es la pendiente del talud, g es la aceleración de la gravedad y es el esfuerzo cortante en análisis del tensor de esfuerzos.
5.2.2. Ecuación reologica cuadrática El análisis reológico incluye los cuatro tipos de esfuerzos de corte. La naturaleza no Newtoniana de los flujos de sedimentos Hiperconcentrado da como resultado varios procesos físicos: el esfuerzo cohesivo de fluencia , el cual representa la naturaleza cohesiva de las partículas finas de sedimento; el esfuerzo cortante de Mohr-Coulomb el cual representa la viscosidad del fluido-partícula; el esfuerzo de corte turbulento ; y finalmente, el esfuerzo dispersivo , que representa la colisión de las fracciones más grandes. El esfuerzo cortante total del fluido de un flujo de sedimento Hiperconcentrado se obtiene sumando los cinco componentes del esfuerzo de corte (Julien y León: 2).
,
= + + + + Escrito en términos de ratios de corte o gradiente de velocidad (
), se puede obtener la ecuación
reológica cuadrática. La ecuación reológica cuadrática describe la continuidad del flujo en un rango de concentración de sedimentos para los
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esfuerzos cortantes mencionados. ecuación se muestra a continuación:
Dicha
2 = + + () 2 Donde: = + ; = 2 + 2 Los factores anteriores representan lo siguiente: es la viscosidad dinámica de la mezcla; es el esfuerzo de fluencia; , donde es la presión intergranular y es el ángulo de reposo del material; es el coeficiente de esfuerzo cortante inercial el cual depende de que viene a ser la densidad de la masa de la mezcla y de que es la densidad de la masa del sedimento; es la longitud de mezcla de Prandtl; d el tamaño del sedimento; la concentración lineal; y es el coeficiente de impacto. Como una primera aproximación, se puede usar , donde h es la profundidad del flujo y K = 0.4 , siendo este último la constante de von Karman. El coeficiente es muy variable. Bagnold y Takahashi han propuesto (Julien y León:3).
= tan
= ℎ
̃ =0.01
5.3. Factores Que Intervienen Durante Un Huaico
5.3.1. Factores hidrológicos
que se encuentre y de los factores como la saturación. 5.3.3. Factores geológicos Respecto a la geomorfología será importante determinar la geometría de la ladera y de la masa susceptible a ser removida. Los elementos a analizar se componen por: Pendiente de la ladera (pendientes medias y quiebres abruptos de pendientes).
Concavidad de la ladera tanto en la dimensión vertical como horizontal.
Morfología de la unidad (ladera, acantilado, depósitos antiguos, presencia de cauce al pie de la ladera, forma de cuenca receptora y otros).
Orientación de la ladera, para efectos de la exposición al sol y de la respuesta sísmica.
La geología condiciona directamente las cualidades geotécnicas del material y la estructura de la ladera. Por ello deben ser analizados y definidos los siguientes elementos:
La presencia del fluido así como de presión elevada que ejerce el fluido en los espacios porosos de la roca o también llamada “presión de poros” son las causas principales del deslizamiento de masas, En el caso de los deslizamientos estudiados en este paper estos ocurren por la infiltración directa por las capas superficiales ocasionadas por las precipitaciones, se toma en cuenta los nidos , las raíces de árboles y demás objetos los cuales crean poros más grandes también llamados macro poros los cuales influyen en la filtración del agua dentro de un talud. En resumen el deslizamiento de tierra por precipitaciones se diferencia de cualquier otro debido a que este se encuentra en equilibrio hasta que las precipitaciones saturen el suelo y este se desmorone causando así el fenómeno conocido como huaico.
Altura de la ladera.
Tipo de roca o suelo.
Meteorización distribución).
(definir
intensidad
y
Hidrogeología (redes de drenaje subterráneas y en superficie).
El clima en las RM juega tanto un rol condicionante como un rol desencadenante, por esto haremos la diferencia entre condiciones regulares del clima, las que corresponderán al factor condicionante y condiciones extremas (principalmente de abundantes precipitaciones) que corresponderán a un factor desencadenante. Respecto a lo primero, se deben considerar los siguientes elementos:
Intensidad y frecuencia de las precipitaciones.
Estacionalidad.
Cambios de temperaturas.
5.3.2. Angulo de talud Altura de la isoterma 0°C o altura de línea de nieves (HLN).
También denominado ángulo de reposo, el ángulo de talud es la inclinación a la que puede estar una porción de tierra sin perder el equilibrio o antes de que se produzca un deslizamiento, el ángulo de talud dependerá del tipo de suelo en
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6. Medidas De Prevención De Los Huaicos
nuestra ciudad, con lo cual se llega a los
Según la investigación realizada para enfrentar esta situación, se debe pensar en proyectar sistemas sostenibles de acuerdo a los fenómenos que se produces durante el deslizamiento. La ciudad de Arequipa deben ser: s egura, ordenada, y físicamente eficientes. El objetivo es brindar seguridad a las ciudades peruanas más riesgosas como respuesta a su crecimiento desordenado.
fenómeno.
factores
desencadenantes
de
este
Según el análisis realizado en el presente artículo sobre la mecánica de huaicos podemos decir que es necesario identificar las zonas de alto riesgo de acuerdo a los estudios descritos en este texto para poder prevenir a la población de estos fenómenos.
Es de necesidad crítica realizar evaluaciones periódicas y un estrecho seguimiento con el fin de detectar los cambios que se operan en los cauces de
6.1. La Ciencia De La Restauración De Ríos
Los científicos y la sociedad deben admitir que las decisiones que se tomen respecto a la restauración de ríos continuarán siendo hechos en base a importantes incertidumbres científicas. Por eso es que las acciones de restauración seguirán siendo planteadas en base a análisis cualitativos. No es realista esperar que la ciencia de la restauración de ríos se transforme rápidamente en una disciplina predictiva y cuantitativa en el corto plazo. La restauración de ríos es fundamentalmente un proceso social que envuelve ciencias de varios grados. 6.2. Aspectos Reológicos Del Flujo
Para ello, si se construyen presas, éstas deben ser capaces de detener la cara frontal del flujo de escombro, almacenar la mayor cantidad de material sólido posible y drenar el agua del flujo de escombros. El diseño de las presas requiere un estudio del volumen potencial de almacenamiento, fuerzas de impacto máximo, protección contra la erosión, estabilidad bajo cargas estáticas, y un plan para el acceso al mantenimiento y remoción de escombros.
7. Conclusiones
Según lo descrito en este artículo sobre mecánica de huaicos se concluye que para que se produzca un huaico es necesario la presencia de lluvias en
las torrenteras, principalmente los de origen antropogénico, actividades que deben ser asumidas por organismos competentes e idóneos.
7. Bibliografía 7.1. Leonardo F. Castillo Navarro. (2013). Modelación De Huaycos Como Herramienta Para La Gestión Y Prevención De Desastres (Tesis de maestría).Universidad Nacional De Ingeniería, Perú 7.2. Fernanda Gabriela Abarzúa Torres. (2013). Estudio experimental del inicio de aluviones en la cuenca alta del río coya, mina el teniente (tesis de pregrado). Universidad de Chile, Chile 7.3. Sofía Rebolledo Lemus. (2012). Determinación de peligro de flujos de detritos en la Quebrada de Macul, cuenca de Santiago. (tesis de pregrado). Universidad de Chile, Chile 7.4. Iván Carlos Vilcahuamán Brenis. (2015) . Concepto De Medidas De Prevención Para Reducir El Riesgo De Desastre Por Huaicos En Ica. (Tesis De Pregrado).Pontificia Universidad Católica Del Perú, Peru.
