Debris flow: análisis de los flujos de detritos

Los flujos de detritos, traducción del término inglés debris flow, forman parte de los procesos geomorfológicos continuos de denudación y posterior remodelación de la corteza terrestre. Se desarrollan en intervalos de tiempo muy cortos y constituyen fenómenos de carácter aluvional, no estacionarios y con un elevado poder destructivo. Los mecanismos de activación de los debris flow son verios:

• Movilización de sedimentos de granulometría gruesa en el cauce de torrentes, como consecuencia de precipitaciones intensas que generan escorrentía superficial y, en algunos casos, también debido a procesos de fusión de nieve o hielo;A
• Colapso o fallo estructural de una ladera;
• Licuefacción de un movimiento en masa de tipo traslacional o de un desprendimiento activo (soil slip), inducida por el paso de una corriente líquida o por déficit hídrico en la zona inestable;
• Obstrucción del cauce debida al colapso de una presa de materiales sueltos o por acumulación de material vegetal, como árboles caídos.

En un evento de flujo de detritos (debris flow) es posible distinguir dos zonas principales: la cuenca de drenaje y el cono aluvial.

La primera (también denominada cuenca hidrográfica) es la zona en la que el evento meteorológico erosiona y transporta el detrito hacia una zona de depósito, que corresponde precisamente al cono aluvial (o cono de deyección). Estos dos elementos están conectados por el canal de alimentación (o canal de flujo), que usualmente coincide con el cauce fluvial. Al final del canal de alimentación comienza el cono aluvial, donde se encuentra la sección de cierre de la cuenca.

El cono aluvial puede dividirse en:

Zona inactiva, si no se ve afectada por fenómenos de desbordamiento, y Zona activa, donde persisten procesos de deposición, erosión y desbordamiento. Esta última, a su vez, se subdivide en tres sectores:

1. Zona proximal: donde se acumulan depósitos de granulometría gruesa, procedentes de las fases iniciales del flujo;
2. Zona medial;
3. Zona distal.

Los rasgos comunes, tanto morfológicos como físicos, presentes en múltiples eventos de debris flow, pueden resumirse de la siguiente manera:

• Un frente de avance compuesto por bloques de gran tamaño, seguido lateralmente por elementos pétreos y una cola más líquida;
• Canal de flujo con forma de “U”;
• Alta capacidad de arranque y derribo de vegetación en los márgenes del canal;
• Incremento de la velocidad del flujo por oleadas sucesivas, aunque siempre inferior a la de una corriente líquida;
• El flujo sigue el cauce natural, aunque puede formar diques temporales por los cuales continúa su desplazamiento.

Magnitudes típicas

Es posible identificar una serie de magnitudes características de un flujo de detritos (debris flow), tales como:

1. La cota del punto más alto desde el cual se ha desencadenado el debris flow, H_max (altura sobre el nivel del mar) [m];
2. La cota donde inicia el depósito del material, o ápice del cono aluvial,H_min (altura sobre el nivel del mar) [m];
3. La cota donde finaliza el depósito del material, H_u (quota sul livello del mare) [m];
4. Desnivel entre dos puntos 1 y 2, H [m];
5. Desnivel total del flujo [m];
6. Longitud del debris flow desde el punto de inicio hasta el punto de inicio del depósito, L [m];
7. Longitud del cono aluvial, L_c [m];
8. Longitud total del recorrido del flujo, L_TOT [m];
9. Pendiente media de la zona de desprendimiento [°];
10. Pendiente media del trayecto del flujo (equivalente a la del cauce torrencial)= tan^-1 [(H_max – H_min)/L] [°];
11. Pendiente media del cono aluvial = tan^-1  [(H_min – Hu)/L] [°];
12. Ancho medio de la zona de desprendimiento [m]:
13. Ancho medio del cauce [m];
14. Ancho medio del cono aluvial [m];
15. Volumen estimado del material movilizado desde la zona de desprendimiento [m³], y área del cono aluvial [m²];
16. Profundidad media del material movilizado en la zona de alimentación [m].

Características morfométricas del debris flow

En el estudio de los debris flow, es fundamental analizar también el conjunto morfológico en el que se desarrollan, es decir, las características de la cuenca hidrográfica correspondiente. Los parámetros relevantes son los siguientes:

• Área de la cuenca (S);
• Perímetro de la cuenca (P);
• Longitud media de la cuenca (L): P/4 + (P/4)² – S;
• Altura máxima (H_M): cota máxima dentro de la cuenca;
• Altura mínima (H₀): cota mínima de la cuenca, correspondiente a la sección de cierre;
• Energía del relieve: H_M – H₀;
• Cota media de la cuenca (q_media):
  

  qmedia =

  ∑qi Ai S

  Donde

  A_i = áreas comprendidas entre dos curvas de nivel sucesivas dentro del perímetro de la cuenca;
  q_i+1 e q_i-1 cotas de las dos curvas de nivel consecutivas
  q_i = (q_i+1 – q_i-1)/2 valor medio entre dos cotas

• Altura media de la cuenca (H_media): dada por la diferencia entre la cota media de la cuenca y la altura máxima, q_media – H_M;
• Pendiente media de la cuenca (Q_media):
  

  Qmedia =

  eq S

  ∑li

  Donde

  eq = equidistancia del mapa topográfico utilizado;
  l_i =longitud total de las curvas de nivel dentro del perímetro de la cuenca

• Factor de forma (F):
  

  F =

  0.89 L √S

• Índice de circularidad (R_c):
  

  Rc =

  S L2

• Número de Melton (I_M):
  

  IM =	HM – H0 S-0.5

Condiciones de activación de los debris flow

El fenómeno del debris flow se activa como consecuencia de un evento de lluvia repentina, de alta intensidad y corta duración, o por el deshielo rápido de un terreno ya saturado y afectado por precipitaciones anteriores.
Los dos parámetros considerados en el análisis hidrológico son: la duración del evento y la intensidad de la lluvia.

Una vez finalizado el evento, es útil estimar el caudal crítico, teniendo en cuenta el transporte sólido. Schoklitsch (1963) propuso una fórmula empírica para calcular el transporte sólido, identificando el valor de caudal líquido umbral inicial por encima del cual se activan los movimientos de arrastre de partículas sólidas en el cauce:

Q_cr = (0.6 * B *d₅₀2)/S^7/6

Donde:

Q_cr = caudal líquido crítico [m³/s]

B = ancho medio activo del cauce en la zona de activación, es decir, el área que más contribuye al transporte sólido [m]

d₅₀ = diámetro medio de los granos del material en la zona de alimentación del flujo [m];

S = superficie de la cuenca [km²]

La comparación entre este caudal crítico y el caudal generado por la precipitación permite estimar la probabilidad de que se desencadene o no el debris flow.

La estimación del caudal debido a la precipitación es función del tiempo de concentración de la cuenca, de la intensidad de la lluvia y del tirante hidráulico.

Condiciones físicas de los debris flow

Las situaciones de equilibrio en un material granular están garantizadas por la relación entre la componente normal y la componente tangencial de las fuerzas desestabilizadoras; dicha relación debe ser menor que la tangente del ángulo de fricción del propio material.

Un flujo de detritos (debris flow) puede activarse con pendientes comprendidas, en promedio, entre 14° y 23°. Para valores superiores, el deslizamiento del material puede producirse incluso sin la presencia de escorrentía superficial o en terrenos estables o como resultado de una condición general de inestabilidad. Para pendientes inferiores a 14°, en cambio, puede producirse un flujo inmaduro de detritos, o, en determinadas condiciones, transporte de fondo.

Para que se produzca el transporte de fondo, debe cumplirse la condición de superación del esfuerzo de tracción crítico, es decir, el esfuerzo por el cual el tirante hidráulico es capaz de movilizar un grano de diámetro 𝑑 determinado.

Condiciones geotécnicas

El método más utilizado para verificar las condiciones de estabilidad es el que se basa en un factor de seguridad, el cual representa la relación entre la resistencia al corte disponible y la fuerza de corte movilizada. Este enfoque es conocido como el método del talud indefinido.

Geoapp Análisis de estabilidad de un talud indefinido

Análisis de estabilidad de un talud indefinido realiza un análisis de estabilidad de un talud indefinido de hasta 3 capas. También se puede considerar la presencia de un nivel freático.

Opciones para guardar, abrir el trabajo e imprimir el informe de cálculo en formato *.docx

Donde:

Θ = inclinación del talud, equivalente a la inclinación de la superficie de deslizamiento

z = espesor del cuerpo del deslizamiento (sujeto al flujo de detritos);

h₀ = altura del flujo hídrico por encima del terreno;

λ_f = ángulo de dirección de los vectores de flujo con respecto a la normal del talud.

Se consideran dos hipótesis

1. NIVEL DEL AGUA COINCIDENTE CON EL TALUD O SITUADO A UNA COTA INFERIOR (H₀ = 0)

   Suponiendo un suelo completamente saturado, el factor de seguridad (FS) está dado por la siguiente expresión:

   FS =	C’ +(z γs cos2(θ) – up) tan(Φ’) z γs sen(θ) cos(θ)

   Donde
   c’ = cohesión del suelo en términos de esfuerzos efectivos;
   Φ’ = ángulo de fricción del suelo en términos de esfuerzos efectivos;
   γ_s = peso unitario del suelo saturado;
   u_p = presión intersticial (presión de poros), definida a su vez por la siguiente relación:

   up =

   γw z (1-

   tan(λf + θ -90) tan(90-θ) + tan (λf + θ-90)

   )

   donde γ_w es el peso unitario del agua

2. PRESENCIA DE UNA LÁMINA DE AGUA EN CONDICIONES DE FLUJO POR ENCIMA DEL TERRENO (H₀>0)
   El factor de seguridad (FS) se calcula mediante la siguiente expresión:

   FS =	c’ +(z γs cos2(θ) – up) tan(Φ’) (z γs + h γw) sen(θ) cos(θ)

   Genevois et al. introducen en este contexto la dirección del vector de flujo como un elemento adicional.

Condiciones de equilibrio del cauce

Con base en los estudios realizados en la Universidad de Nápoles (Pica, 1972), orientados a la determinación de la carga sólida en los debris flow y de las condiciones necesarias para que se genere el transporte sólido, se llegó a la formulación de un parámetro adimensional τ^∗, que representa el esfuerzo tangencial ejercido sobre las paredes del cauce.

Este parámetro se deriva a partir de la función de Shields, y los parámetros geométricos de las secciones del cauce se expresan en función del caudal en régimen de flujo permanente.

donde con d₅₀ diámetro medio de los granos del material del cauce.

Los resultados de la investigación han demostrado que:

• Para valores de τ^∗<0.2: el transporte sólido es prácticamente nulo, en condición de movimiento incipiente;
• Para valores de 0.2<τ^∗<0.5: el transporte sólido es selectivo, con tendencia al transporte del material más fino;
• Para valores de τ^∗>0.5: todo el material del cauce entra en movimiento.

Bibliografía: Texto tomado y revisado del libro «Colate detritiche, stima del percorso e della pericolosità – Alberto Bruschi – Flaccovio Editore, 2008»

Geoapp Debris Flow

Aplicación en línea para el cálculo de: Caudal de líquido esperado tras el evento pluviométrico (Q₀), Altura del calado de agua formado tras el evento pluviométrico (h₀), Intensidad pluviométrica crítica que cumple los requisitos para el desarrollo de Debris Flow (I_pc), Espesor de la capa potencialmente erosionable por la corriente (a_L), Calado de agua crítico (Profundidad mínima de flujo capaz de desencadenar transporte de sólidos) (hcr), Condiciones de estabilidad calculadas a través del Factor de Seguridad (Fs).

Nueva versión próximamente: ¡más potente, gráficos mejorados, nuevas funciones y cálculos adicionales!

Quizá le interese