Science & Mathematics > Earth Sciences">
4.16vulnerabilidad Sistemas Agua Potable PDF
4.16vulnerabilidad Sistemas Agua Potable PDF
4.16vulnerabilidad Sistemas Agua Potable PDF
ESTUDIO DE CASO
OPS / OMS
ii
CONTENIDO
iii
ANEXO A: PROCEDIMIENTOS PARA EVALUAR EL POTENCIAL A LA
LICUEFACCIN EN DEPSITOS GRANULARES .................................... 91
Estimacin de la resistencia cclica promedio del depsito a la licuefaccin.......................... 91
Estimacin del esfuerzo ssmico impuesto por el sismo .......................................................... 93
Evaluacin del potencial de licuefaccin................................................................................. 93
iv
RESUMEN
Se ha puesto particular inters en los problemas de los taludes; se presenta una gua para
identificar taludes o terrenos de pendiente moderada potencialmente inestables; y se ha
incorporado la actividad ssmica y la evaluacin del potencial de licuefaccin de suelos.
Para aplicar de modo confiable la metodologa de los tiempos de rehabilitacin con fines
de cuantificacin de la vulnerabilidad propuesta por CEPIS/OPS, es preciso disponer de un
historial de averas o interrupciones del servicio debidamente documentado con tiempos de
rehabilitacin, costos, fuerza laboral, materiales y equipo.
(1) Con los procedimientos normativos disponibles y las guas que se incluyen se puede
evaluar cuantitativamente la vulnerabilidad de los sistemas de agua potable y alcantarillado.
v
CAPTULO 1
INTRODUCCIN Y ANTECEDENTES
2.a fase: Los estudios de esta fase son ms especializados y usualmente estn respaldados
por:
a) la normativa vigente;
b) las estadsticas sobre los efectos;
c) la participacin de profesionales especializados.
CAPTULO 2
Cuadro 2.1
Amenazas naturales
SISMOS
- Movimientos vibratorios:
Para el anlisis de los movimientos vibratorios del terreno se han seguido los criterios y
requerimientos de la norma venezolana COVENIN (1756).
En este estudio, los valores de la amenaza ssmica varan a lo largo de los 34 km del
sistema por la distribucin de las fallas geolgicas.
Tomando como base la interpretacin de los efectos conocidos de sismos anteriores, para
el rea estudiada se han adoptado las tasas medias anuales de ocurrencia de intensidad de
Mercalli en suelos competentes y se ha utilizado la metodologa de la AFPS (1990) que se
muestra en el cuadro 2.2.
8 Vulnerabilidad de los sistemas de agua potable frente a deslizamientos
Cuadro 2.2
Tasas medias anuales de ocurrencia de intensidad de Mercalli en suelos
competentes del rea de estudio
Cuadro 2.3
Magnitud Richter (Ms) y desplazamientos mximos (D) asociados
a las fallas geolgicas de la figura 2.1
Desplazamiento mximo
Falla geolgica Magnitud Richter esperado
Ms D(m)
San Antonio
San Diego 6,4 - 6,6 0,4 - 0,8
Pichao
Tcata
El vila 6,5 - 6,7 0,5 - 1,0
Aragita
Aragua 6,8 - 7,0 0,7 - 1,2
San Sebastin 7,6 - 7,8 2,0 - 3,3
10 Vulnerabilidad de los sistemas de agua potabe frente a deslizamientos
- Potencial de licuefaccin
Durante la ocurrencia de un sismo, hay dos acciones principales que pueden dar lugar a la
inestabilidad de zonas con fuerte pendiente: (a) las fuerzas inerciales pueden generar esfuerzos
que exceden temporalmente la resistencia al corte y producir un desplazamiento pendiente abajo;
(b) las deformaciones causadas por las sacudidas pueden producir prdida de resistencia en
materiales frgiles (por ejemplo rocas cementadas). Las estadsticas de Keefer (1984) y los
umbrales de deslizamientos dados en los diferentes grados de las escalas de intensidad de
Mercalli (Brazee 1979; Grunthal 1993) sirvieron de base para la elaboracin del cuadro 2.4.
Cuadro 2.4
Umbrales de intensidad ssmica para diferentes tipos de deslizamientos
La identificacin de reas en las cuales pueden presentarse situaciones como las descritas
en el cuadro 2.4 requiere estudios de sitio detallados y la aplicacin de los conceptos tcnicos que
se describen ms adelante.
Captulo 2: Caracterizacin de las amenazas naturales 11
Los resultados de las estadsticas de Keefer sugieren que los deslizamientos pueden
ocurrir para grados de intensidad inferiores a los valores indicados en la escala de Mercalli. En el
cuadro 2.5 se sintetiza la estadstica presentada por Keefer para tres tipos de inestabilidad del
terreno: deslizamientos menores, agrietamientos en paredes de roca slida y desparramamiento
lateral de suelos.
Cuadro 2.5
Riesgo de inestabilidad de taludes
VIENTOS
Figura 2.2
Distribucin de valores extremos de vientos mximos anuales
- Caudales extremos
Para evaluar la seguridad de los puentes de acceso y cruces de tuberas sobre ros frente a
las crecidas, se requiere conocer los caudales extremos. Dado que dos de los puentes del sistema
Captulo 2: Caracterizacin de las amenazas naturales 13
Figura 2.3
Distribucin de valores extremos de caudales; la abscisa representa la probabilidad de no
excedencia anual del caudal Q
- Pluviometra
Para el clculo del volumen de agua que drena de las cuencas para alimentar los embalses
y tomas del sistema se requiere informacin sobre la distribucin de las precipitaciones.
entre 1947 y 1996, (Armada de Venezuela 1997). Obsrvese que en trmino medio, la
precipitacin acumulada anual alcanza 828 mm.
- Arrastre de slidos
Figura 2.4
Valores medios de precipitacin mensual: Observatorio Cagigal (Caracas, 1035 msnm)
lapso de observacin: 1947-1996. Armada de Venezuela (1997)
Captulo 3: Gua para identificar problemas de deslizamientos 15
CAPTULO 3
En este captulo se establece una metodologa para detectar y prevenir posibles problemas
en reas propensas a deslizamientos mediante:
Desprendimientos
Cuadro 3.1
Clasificacin de fallas
Figura 3.1
Desprendimiento de bloques
Figura 3.2
Volcadura de bloques
Derrumbes
18 Vulnerabilidad de los sistemas de agua potable frente a deslizamientos
Derrumbes planares
Figura 3.3
Deslizamiento planar en macizo rocoso
Figura 3.4
Deslizamiento en forma de cua
Los deslizamientos planares suelen ocurrir en:
En general, durante los perodos iniciales de la falla se generan grietas de traccin con un
pequeo desplazamiento, luego se pueden observar escarpes frescos que dejan los bloques
con posterioridad al movimiento. En algunos casos, este movimiento deja sin vegetacin la
zona deslizada y los escombros quedan expuestos al pie del talud.
Derrumbes rotacionales
Figura 3.5
Derrumbe rotacional
En las etapas tempranas del deslizamiento se forman grietas de tensin, luego de la falla
parcial se genera una serie de pequeos hundimientos y escarpes, y al momento de la falla
total se pueden apreciar varios escarpes en la superficie adems de grietas de tensin
concntricas y profundas, as como una gran masa de material incoherente al pie del talud.
20 Vulnerabilidad de los sistemas de agua potable frente a deslizamientos
Los desparramamientos laterales son una forma de falla planar que ocurre en suelos y
rocas. La masa se deforma a lo largo de una superficie plana que representa una zona dbil,
tal como lo ilustra la figura 3.6. Los bloques se separan progresivamente por tensin y
retrogreden.
Figura 3.6
Desparramamiento lateral
Este tipo de falla es comn en valles de ros y se asocia tambin con arcillas firmes y
duras fisuradas, lutitas y estratos con buzamiento horizontal y una zona continua de
debilidad. Tambin se presenta en coluvios con pendientes suaves que se encuentran sobre
suelos residuales o rocas.
Deslizamiento de escombros
Las principales causas de avalanchas son las altas fuerzas de filtracin, alta pluviosidad,
derretimiento de nieve, sismos o deslizamiento gradual de los estratos de roca. Las avalanchas
Captulo 3: Gua para identificar problemas de deslizamientos 21
ocurren de manera brusca sin previo aviso y generalmente son impredecibles. Los efectos pueden
ser desastrosos y pueden sepultar extensas reas al pie del talud.
Las avalanchas son caractersticas de zonas montaosas con pendientes muy inclinadas en
suelos residuales donde la topografa causa concentracin de la escorrenta. Tambin se puede
presentar en zonas de roca muy fracturada.
Flujo de escombros
Este tipo de falla es similar a las avalanchas, excepto que la cantidad de agua es mayor y
por ello la masa fluye como lodo. La principal causa es el aporte de grandes lluvias y material
suelto en la superficie.
Repteo
Los rasgos caractersticos del repteo son la presencia de crestas paralelas y transversales a
la mxima pendiente del talud y postes de cerca inclinados.
Antecedentes histricos
Para conocer los deslizamientos pasados se puede revisar diversas fuentes, tales como
peridicos locales, revistas nacionales o internacionales especializadas en el tema, mapas de
zonificacin de casos de inestabilidad geolgica, inventarios de riesgos geolgicos, etc.
Geologa de la regin
El relieve y la topografa estn determinados por la geologa del rea, lo que permite
estimar la susceptibilidad al movimiento en el nivel regional. En general, los deslizamientos
pueden ocurrir en cualquier tipo de relieve si las condiciones estn dadas, sin embargo, la
experiencia de trabajar y observar distintos tipos de relieves ha demostrado que los
deslizamientos son ms comunes en ciertos tipos de relieves. A continuacin se incluye una breve
descripcin de las caractersticas de estos relieves.
Foto 3.1
Deformacin de una tubera de 60 de dimetro por deslizamiento
debido a un corte al pie del talud
Topografa y estabilidad
Los mapas topogrficos representan una excelente fuente de informacin para la deteccin
de deslizamientos y, algunas veces, se puede identificar en ellos grandes reas de deslizamiento.
En los mapas topogrficos, la escala y el intervalo de las curvas de nivel facilitan la identificacin
de los deslizamientos. Esta identificacin se puede llevar a cabo mediante:
24 Vulnerabilidad de los sistemas de agua potable frente a deslizamientos
El suelo tiene dos comportamientos bsicos ante la aplicacin del esfuerzo cortante. Uno,
a travs de la friccin intergranular de las partculas que lo integran y la otra por medio de fuerzas
que unen a las partculas entre s. La primera se llama tambin condicin drenada o a largo plazo
y la segunda, condicin no drenada o a corto plazo.
Los suelos estudiados generaron seis figuras simplificadas que brindan informacin
preliminar acerca de la estabilidad de los taludes con comportamiento granular (figura 3.7) y con
comportamiento cohesivo (figura 3.8).
Captulo 3: Gua para identificar problemas de deslizamientos 25
Figura 3.7
Criterio de falla en taludes con comportamiento granular
26 Vulnerabilidad de los sistemas de agua potable frente a deslizamientos
Figura 3.8
Curvas de FS vs inclinacin del talud para suelos con
comportamiento cohesivo FS=FS de la fig. 3.7 x Su (kg/cm2 )
Captulo 3: Gua para identificar problemas de deslizamientos 27
Suelos con comportamiento granular: Cada uno de los grficos de la figura 3.7 consiste
en cuatro curvas que definen sectores de estabilidad para los casos seco (trazo continuo) y
de alto grado de saturacin (trazo punteado); estos sectores de estabilidad se basan en el
factor de seguridad (FS).
El primer sector, ubicado debajo de las curvas del FS = 1,2, corresponde a combinaciones
de la resistencia del suelo con la pendiente del talud que pueden originar situaciones de
inestabilidad bajo la resistencia del suelo; en este caso viene dada por el ngulo de
friccin del suelo, .
El segundo sector, ubicado entre las curvas del FS = 1,2 y 1,5, corresponde a situaciones
en las que se debe realizar un estudio ms detallado e incorporar toda la informacin
disponible sobre el suelo.
El tercer y ltimo sector de estas figuras corresponden a los casos con bajo peligro de
inestabilidad. La figura 3.7a toma en cuenta el caso esttico y las figuras 3.7b y 3.7c los
casos dinmicos con aceleraciones mximas Ao = 0,15g y 0,30g, respectivamente. Para
todos los casos anteriores se utiliz un talud con una altura de 20 metros.
Suelos con comportamiento cohesivo. La figura 3.8 muestra anlisis simplificados para
suelos con comportamiento cohesivo. Dado que en este tipo de suelos la altura del talud
(H) es un parmetro de relevancia, ste fue incorporado en el anlisis. En el suelo
puramente cohesivo la variacin del parmetro de resistencia no drenada, (Su), es
directamente proporcional al factor de seguridad y por lo tanto se decidi realizar el
anlisis para una resistencia de 1 kg/cm2. El factor de seguridad obtenido podr ser
modificado multiplicndolo por un factor igual al que haya entre la resistencia del suelo
en estudio y el utilizado en las figuras de este trabajo.
Ejemplo: Para evaluar la estabilidad de un corte reciente con inclinacin de 300 de un talud
arcilloso de 5 metros de altura y resistencia no drenada estimada de 0,2 kg/cm2, se debe usar la
figura de 5 metros de altura, es decir, la figura 3.8(a).
De esta solucin se obtiene el valor del FS = 6,35, pero como la resistencia es 5 veces
menor a la utilizada en la generacin de las curvas, el FS realmente estimado para este caso ser
de 6,35/5 = 1,27. Siguiendo el criterio utilizado en el suelo con comportamiento granular, sera
recomendable hacer un estudio ms detallado para este caso, ya que el FS hallado se encuentra
entre los valores frontera.
Es importante destacar que el valor de la resistencia no drenada del suelo, (Su), se puede
determinar mediante diferentes procedimientos, tales como el penetrmetro de bolsillo, la veleta
de campo, ensayos de compresin sin confinamiento y ensayos triaxiales. Cada uno de estos
ensayos impone una condicin distinta de esfuerzo en el suelo y, por lo tanto, la resistencia
obtenida tambin debera serlo. Este parmetro es afectado por el tamao de la muestra, por lo
que es recomendable realizar los ensayos con la mayor cantidad de material posible, sobre todo
28 Vulnerabilidad de los sistemas de agua potable frente a deslizamientos
Los resultados de las figuras 3.7 y 3.8 permiten al ingeniero tomar decisiones con mejor
informacin acerca del riesgo de inestabilidad de taludes pero no representan un anlisis riguroso
del riesgo, ya que no se incorporan factores como las grietas de tensin y las superficies de falla
preexistentes, las cuales deben ser investigadas si se quiere un anlisis ms detallado.
Pluviosidad
a) el ciclo climtico en un perodo de aos, por ejemplo, alta precipitacin anual versus baja
precipitacin anual;
b) la acumulacin de pluviosidad en un ao determinado en relacin con la acumulacin normal;
c) intensidad de una tormenta especfica.
Erosin
La erosin puede ser causada por agentes naturales y humanos. Entre los agentes naturales
se pueden incluir el agua de escorrenta, aguas subterrneas, olas, corrientes y viento. La erosin
por agentes humanos incluye cualquier actividad que permite un incremento de la velocidad del
agua, especialmente en taludes sin proteccin, como la tala de rboles u otro tipo de vegetacin
que ayuda a fijar el suelo y mejorar la estabilidad del talud.
La mayora de las fallas de los taludes durante sismos se debe al fenmeno de licuefaccin
en suelos no-cohesivos, sin embargo, tambin se han observado fallas en suelos cohesivos
durante algunos eventos ssmicos de gran magnitud.
Foto 3.2
Erosin producida por el rebose de un tanque de succin
Las arenas finas limpias y las arenas limosas no-plsticas que contienen menos de 10% de
finos son las ms susceptibles a la licuefaccin porque tienen la tendencia a depositarse de
manera suelta y presentan una permeabilidad baja para impedir el drenaje durante las vibraciones
del terreno.
Figura 3.9
Granulometras lmites de los suelos potencialmente licuables
En la primera fase se debe recopilar la informacin disponible (oral y escrita) acerca del
sitio de estudio, desde relatos de eventos pasados por parte de los lugareos, hasta estudios
geolgicos y geotcnicos previos, incluidos los planos topogrficos, pluviosidad y sismicidad de
la zona.
Perforaciones
32 Vulnerabilidad de los sistemas de agua potable frente a deslizamientos
Los objetivos principales de las perforaciones son definir la litologa del rea de estudio y
tomar muestras para su posterior anlisis en el laboratorio.
Figura 3.10
Ubicacin de las perforaciones
Calicatas
Foto 3.3
Calicatas
Ensayos de campo
En el campo se busca obtener la mayor cantidad de informacin posible. Para lograr este
objetivo es necesario realizar los ensayos que mejor se relacionen con el suelo en cuestin, ya que
a partir de ellos y mediante correlaciones desarrolladas a lo largo del tiempo se pueden inferir
ciertas propiedades de los materiales en estudio. Algunos de los ensayos para la caracterizacin
de suelos son:
Ensayos de laboratorio
a) Ensayos de clasificacin
Gravedad especfica: para medir la densidad de las partculas que componen el suelo.
b) Ensayo de resistencia
Los ensayos de resistencia tienen por finalidad estimar la resistencia del suelo.
Para estimar la resistencia no drenada del suelo se utilizan ensayos como el penetrmetro
y la veleta de bolsillo (tambin pueden ser realizados en campo) y los ensayos no
drenados con y sin confinamiento en la cmara triaxial (ms costosos). En el caso de la
resistencia drenada del suelo tambin se puede utilizar la cmara triaxial con velocidades
ms bajas de aplicacin de las cargas y el ensayo de corte directo. Este ltimo
generalmente se reserva para los materiales granulares.
Muestreo
El muestreo en las perforaciones depende del material que se consiga y del grado de
precisin de los datos geotcnicos. Los tres mtodos de muestreo ms usados en la investigacin
geotcnica son los siguientes:
Instrumentacin
Captulo 3: Gua para identificar problemas de deslizamientos 35
Piezmetros: miden la presin de agua intersticial que hay en un determinado nivel del
subsuelo. El piezmetro de boca abierta es el ms sencillo de todos y es el que se usa de
preferencia en suelos granulares de alta permeabilidad. Existen piezmetros ms
complicados como los de hilo vibratorio y los neumticos, recomendables para suelos
cohesivos de baja permeabilidad.
Figura 3.11
Bloque en plano inclinado y diagrama de fuerzas
36 Vulnerabilidad de los sistemas de agua potable frente a deslizamientos
Las fuerzas que actan sobre el bloque rgido, como se muestra en la figura 3.11, son: el
peso del bloque (W), la normal (N) y la fuerza de roce (Fr) entre la base del bloque y el plano
inclinado. Las fuerzas que actan en la direccin del plano inclinado (X) son la fuerza de roce
(Fr) y el componente del peso en esa direccin (W sen). Las fuerzas que actan en la direccin
perpendicular al plano inclinado (Y) son el componente de peso en esa direccin (W cos) y la
normal (N).
No habr deslizamiento del bloque a lo largo del plano inclinado mientras la fuerza de
roce entre el bloque y el plano sea mayor o igual que la componente del peso en esa direccin.
El factor de seguridad (FS) contra el deslizamiento del bloque viene a ser el cociente entre
la fuerza de roce (Fr) y la componente del peso en la direccin del plano inclinado o se puede
calcular por la ecuacin:
Ff
F.S. =
W sen
La fuerza resistente viene a ser la resistencia al corte del suelo y las fuerzas
desestabilizadoras vienen a ser las fuerzas gravitacionales o ssmicas. Por lo tanto, para un talud,
el factor de seguridad se define como el cociente entre la resistencia al corte del suelo o roca a lo
largo de una superficie de falla y los esfuerzos de corte que tienden a producir deslizamiento a lo
largo de esa superficie de falla (Craig 1986).
Los principales parmetros que definen la resistencia del suelo son el ngulo de friccin
interna en el caso de suelos granulares y la resistencia al corte no drenada en el caso de suelos
cohesivos.
La resistencia al corte no drenada (Su) puede estimarse con ensayos de laboratorio tales
como el ensayo triaxial consolidado no drenado (CIU), el ensayo sin consolidar sin drenar (UU),
el ensayo de compresin sin confinar (qu) y el ensayo de corte directo simple (DSS). Para los
ensayos in-situ se puede usar la prueba de veleta de campo (FV), la prueba de penetracin de
cono (CPT) y el penetrmetro de bolsillo.
Las arcillas duras y altamente sobreconsolidadas fallan bajo una condicin drenada
porque el exceso de presin de los poros es negativo y por lo tanto a medida que este se disipa,
las arcillas sobreconsolidadas se debilitan.
Captulo 3: Gua para identificar problemas de deslizamientos 37
La mayora de los suelos granulares disipan el exceso de presin de los poros rpidamente
debido a su alta permeabilidad y por lo tanto fallan en condiciones drenadas excepto cuando son
sometidos a carga dinmica (sismo) cuando una falla no drenada es posible.
donde:
Ip = es el ndice de plasticidad
p = es la presin de consolidacin.
El cuadro 3.2 sirve de gua para estimar la resistencia al corte no drenado en arcillas y el
ngulo de friccin en suelos granulares. (Terzagi and Peck 1967).
Cuadro 3.2
Relacin de la resistencia al corte no drenado y el ngulo de friccin
Aumentar la resistencia del suelo: son las soluciones que aplican drenaje en el suelo para
bajar el nivel fretico o la inyeccin de substancias que aumenten la resistencia del suelo,
tales como el cemento u otro conglomerante
Cambio de la geometra
Figura 3.12
Mtodos para estabilizar un talud: (a) drenaje; (b) cambio de la geometra (Hunt 1984)
Drenajes verticales: se utilizan cuando existe un estrato impermeable que contiene agua
emperchada por encima de un material ms permeable con drenaje libre y con una presin
hidrosttica menor. Los drenajes se instalan de manera que atraviesen completamente el
estrato impermeable y conduzcan el agua mediante gravedad, por dentro de ellos, hasta el
estrato ms permeable, lo que aliviar el exceso de presin de los poros a travs de su
estructura.
Esta solucin puede ser til y de bajo costo en el caso de taludes hechos con materiales de
baja resistencia, tales como arcillas y limos blandos o con presencia de materia orgnica
en descomposicin que tengan entre tres y ocho metros de altura y superficies de falla que
no pasen de los cuatro metros.
Soluciones estructurales
Este tipo de soluciones generalmente se usa cuando hay limitaciones de espacio o cuando
resulta imposible contener un deslizamiento con los mtodos discutidos anteriormente. El
objetivo principal de las estructuras de retencin es incrementar las fuerzas resistentes de forma
activa (peso propio de la estructura, inclusin de tirantes, etc.) y de forma pasiva al oponer
resistencia ante el movimiento de la masa de suelo.
Figura 3.13
Muros
Se debe tener en cuenta que al poner una estructura con un material de muy baja
permeabilidad, como el concreto, al frente de un talud de suelo que almacene agua en su
estructura, es muy probable que aumente la presin hidrosttica en la parte posterior del
muro. Para evitar este problema se debe colocar drenajes subhorizontales a diferentes
alturas del muro con el objetivo de disipar el exceso de presin. Un tipo de muro de
gravedad que ayuda en este aspecto, es el muro de gavin que al no tener ningn agente
cohesionante ms que la malla que une los gaviones, permite el paso de agua a travs de
los mismos. Estos muros adems de ser comparativamente econmicos, tienen la ventaja
de tolerar grandes deformaciones sin perder resistencia.
Figura 3.14
Muros de gavin
Pantallas: consisten de una malla metlica sobre la cual se proyecta concreto (shotcrete)
recubriendo toda la cara del talud. Es comn atirantar esta corteza de concreto armado
mediante anclajes que atraviesan completamente la superficie de falla para posteriormente
ser tensados y ejercer un empuje activo en direccin opuesta al movimiento de la masa de
suelo. La figura 3.15 muestra el corte tpico de una pantalla atirantada.
42 Vulnerabilidad de los sistemas de agua potable frente a deslizamientos
Figura 3.15
Seccin transversal y frontal de una pantalla
Captulo 4: Vulnerabilidad de los componentes del sistema 43
CAPTULO 4
MATRIZ DE VULNERABILIDAD
Como ejemplo nos referiremos al cuadro 4.1 que reproduce la matriz de vulnerabilidad
basada en la estadstica de daos por sismos de 456 represas de tierra. Los autores de ese trabajo
caracterizaron cuatro grados de dao (no daos, daos menores, moderado y severo) y cuatro
grados de intensidad ssmica basados en los grados de Mercalli (VI, VII, VIII y IX).
Represas
Es evidente que cualquier pronunciamiento sobre la seguridad de una represa debe estar
sustentada en estudios detallados sobre: (i) la amenaza ssmica local; (ii) las propiedades
dinmicas y la respuesta del sistema presa-embalse; y (iii) los materiales del embalse.
44 Vulnerabilidad de los sistemas de agua potable frente a deslizamientos
Cuadro 4.1
Matriz de vulnerabilidad basada en la estadstica de daos por sismo
de 456 represas de tierra (Chang 1992)
Grado de dao**
Intensidad ssmica D0 D1 D2 D3
(No dao) (Menores) (Moderados) (Severos)
VI
58,3 33,3 6,2 2,2
(132) *
VII
18,7 48,9 21,1 11,3
(284) *
VIII
7,1 39,3 17,9 35,7
(28) *
IX
0 16,7 16,7 66,6
(12) *
* Nmero total de represas en ese nivel de intensidad ssmica.
Comentarios: En adicin al grado 0 (D 0 ), ningn dao, los tres grados anteriores se asocian a
estados finales de embalses ubicados en reas de isosistas conocidas. El grado 3 (D3) se
considera en el umbral de la inestabilidad.
Cuadro 4.2
Generalizacin sobre el desempeo esperado
de represas de tierra
0 1 2 3 4 (1)
ALTURA (0,08g) (0,15g) (0,22g) (0,30g) > 0,30g
(m)
< 20 NO SE CONOCEN
PROBLEMAS POR EFECTO
> 20 DE VIBRACIONES RIESGO MUY BAJO EN
SSMICAS REPRESAS BIEN
< 60 CONSTRUIDAS
FALLAS LOCALES EN
> 60
SISMOS PASADOS
Tuberas
Para las tuberas de mayor dimetro, con estadsticas publicadas sobre los efectos de
sismos, se ha elaborado el cuadro 4.3 que muestra el nmero medio de reparaciones debido a
sismos.
46 Vulnerabilidad de los sistemas de agua potable frente a deslizamientos
Cuadro 4.3
Nmero medio de reparaciones de tuberas por sismos
Chimeneas de equilibrio
El clculo de los efectos sobre la chimenea debido a las acciones elicas se l ev a cabo
de acuerdo con las prescripciones establecidas en COVENIN 2003 (1986) y CUBIC (1989). De
ese anlisis se desprende que para la mayor de las chimeneas expuestas (98 m de altura y 7,0 m
de dimetro) con superficie exterior cilndrica, de concreto, sin huecos, los vientos crticos que
pueden ocasionar daos de cierta importancia son de ms de 190 (km/hora). Esto equivale a una
velocidad de 52,8 (m/seg), la cual es ms del doble que la establecida en la norma venezolana
para esa zona considerada para una vida de servicio de 100 aos y, por lo tanto, tiene una
probabilidad despreciable de ser excedida.
En relacin con los sismos y luego de verificarse la capacidad resistente a sismos por
medio de un anlisis dinmico (CORAL 83 1997) y considerando el rea de armaduras y su
confinamiento, a esa configuracin estructural de la chimenea de equilibrio estudiada (figura 4.1)
se le asigna una elevada probabilidad de ruina para demandas de ductilidad que excede 50% lo
aceptado en las normas vigentes. Tomando como base los criterios y datos anteriores se formul
la matriz de probabilidad de daos que se presenta en el cuadro 4.4 y 4.5.
Captulo 4: Vulnerabilidad de los componentes del sistema 47
Figura 4.1
Chimenea de equilibrio de 98 m de altura y 7 m de dimetro exterior. Seccin transversal
(espesor uniforme de 20 cm de concreto armado) y diagrama de interaccin
Cuadro 4.4
Grado de dao y rangos de aceleracin en una chimenea
de 98 m de altura 17 m de dimetro
Menores 1 0,23
Cuadro 4.5
Matriz de probabilidad de daos de las chimeneas de equilibrio
Menores
(D = 1) -- 10 15 30 15 5
Moderados
(D = 1,25) -- -- 10 20 20 10
Severos
(D = 1,50) -- -- 5 15 20 15
Ruinas
(D = 2,25) -- -- -- 5 40 70
Los elementos de la red de alta tensin estn constituidos por subestaciones de alta
tensin (115 kW y menos), torres y lneas de transmisin (Pieretti 1965).
Los equipos de 215 kW, al igual que los equipos de mayor nivel de tensin y los
componentes ms frgiles (columnas aisladoras de porcelana, interruptores de tanque vivo y
transformadores de tensin), son ms vulnerables que los equipos anclados o con centro de
gravedad bajo. La probabilidad de falla que se espera en los equipos frgiles, en trmino medio,
pueden expresarse como:
Para los equipos menos frgiles, su probabilidad de falla se supondr igual a la mitad de la
de los equipos frgiles.
Captulo 4: Vulnerabilidad de los componentes del sistema 49
En relacin con las lneas, el problema ssmico es menor; como eventual problema
destaca la inestabilidad de las fundaciones de torres ubicadas cerca de taludes o en las cercanas
de mrgenes de ros donde pueden ser debilitadas, problema que no se evala en este trabajo.
Estaciones de bombeo
Las estaciones de bombeo estn constituidas por tres elementos fundamentales: (a) las
bombas centrfugas; (b) la subestacin de alto voltaje; y (c) los tanques de succin.
Bombas centrfugas: De acuerdo con PDVSA (1993), la tasa de fallas de las bombas
centrfugas en condiciones de operacin es de 1,71 x 10-2 (1/ao). Si P es la probabilidad
de falla de un componente y hay n componentes idnticos, la probabilidad de que falle
alguno es 1-(1-P)*n; para pocos componentes y probabilidades pequeas, la probabilidad
anterior se puede estimar como: n*P.
Cuadro 4.6
Vulnerabilidad de las subestaciones de voltaje igual o inferior a 230 kW
Si se supone que hay cuatro bombas en operacin, la probabilidad de que falte alguna
bomba es muy cercana a:
1 - (1 - 0,0171)4 = 6,7%
Tneles
Cuadro 4.7
Rangos de movimientos mximos del terreno para tres
niveles de dao en tneles ubicados en roca
Cuadro 4.8
Matriz de probabilidad de daos en tneles expresados en
grados de intensidad de Mercalli
Turbiedad
Figura 4.2
Variacin de la turbiedad (muestra de 1996)
UNT: Unidades nefelomtricas de turbiedad
Captulo 5: Procedimientos para evaluar la confiabilidad del sistema analizado 53
CAPTULO 5
TIEMPO DE REHABILITACIN
Al estimar el tiempo de rehabilitacin se debe considerar: (a) la magnitud del dao; (b)
requerimientos y disponibilidad de recursos humanos, materiales y financieros; (c) facilidad de
acceso al lugar; y (d) el grado de afectacin de cada componente.
En la foto 5.1 se observa el puente A que cruza la quebrada Las Palmas con acceso
inmediato a la carretera y en la foto 5.2 el puente B que cruza el ro Guaire, de difcil acceso, en
una zona de topografa irregular. En el cuadro 5.1 se comparan tiempos de rehabilitacin
correspondientes a problemas similares de socavacin de las bases de las pilas de apoyo.
Para calcular el tiempo total de rehabilitacin del sistema, se debe considerar las
configuraciones en serie o en paralelo de los componentes del sistema. Por ejemplo, en el caso
del cuadro 5.1 las tareas (2) y (3) pueden hacerse paralelamente.
54 Vulnerabilidad de los sistemas de agua potable frente a deslizamientos
Foto 5.1
Puente (quebrada Las Palmas) con acceso directo a la carretera
Captulo 5: Procedimientos para evaluar la confiabilidad del sistema analizado 55
Cuadro 5.1
Estimacin del tiempo de rehabilitacin
para dos tuberas-puente
Tiempo en horas
Fase o tarea Puente A Puente B
= 78 = 78
1 Identificacin del dao (1) 10 20 24 - 72
2 Interrupcin del flujo 2 2
3 Preparacin del material, equipo y
4 4
cuadrilla
4 Traslado al sitio 1 5 - 10
5 Ejecucin de reparacin (2) 15 30 100 - 200
6 Coordinacin de reinicio y puesta en
4 4
operacin
7 Total 36 61 139 - 292
(2) Se ha supuesto que la reparacin requiere excavacin parcial y llenado con concreto
armado. En el caso del puente B, la solucin puede requerir apuntalamientos temporales si
el ro est crecido.
SELECCIN DE ESCENARIOS
Entre las amenazas naturales consideradas en el presente documento destacan las tres
siguientes:
Tormenta tropical: los efectos de las crecidas en las pilas de los puentes, tales como la
erosin (inestabilidad de pendientes y deslizamientos potenciales) y posibles efectos en la
turbiedad del agua almacenada en los embalses, slo es objeto de evaluacin parcial.
Captulo 5: Procedimientos para evaluar la confiabilidad del sistema analizado 57
CAPTULO 6
ESTUDIO DE CASO
En la cara que mira hacia Caracas no se constatan terrazas de erosin marina; su perfil es
escarpado e interrumpido abruptamente por el valle hoy urbanizado. Hacia el sur, este valle est
bordeado por serranas geolgicamente diferentes a las del norte y sus rocas son ms blandas que
las de la parte norte de la cordillera de la costa.
Estas serranas se extienden hasta ms al sur de los valles del ro Tuy, denominada
serrana del sur o del interior. Entre esta serrana y la cordillera de la costa hay una zona de fallas,
consecuencia del movimiento desigual de ambos bloques (figura 6.1).
Origen ssmico
Cuadro 6.1
Deslizamientos en el rea de Caracas y alrededores debido a sismos
Figura 6.1
stema Tuy II y fallas tectnicas
62 Vulnerabilidad de los sistemas de agua potable frente a deslizamientos
Cuadro 6.2
Fenmenos de licuefaccin y hundimiento reportados en el rea de Caracas y alrededores
debido a sismos
Otras causas
Cuadro 6.3
Casos de arrastres torrenciales que han ocasionado disrupciones importantes
Captulo 6: Estudio de caso 63
1977-08-20 Arrastres torrenciales por lluvias en las cuencas de los ros San Pedro y
Macarao inundaron la parte baja de Caricuao y Las Adjuntas, al oeste de
Caracas, por sbita creciente del ro Guaire a las 17.30 del sbado 20.
Sistemas de drenaje colapsados por arrastre de slidos; el lodo invadi las
plantas bajas de las edificaciones del rea. Se reportaron cinco muertos, tres
personas desaparecidas y 700 vehculos daados o arrastrados por el ro. En
la referencia 55 se anota que la represa La Mariposa fue daada, pero ese
dato no ha sido confirmado en la prensa consultada.
1979-09- 7 y 8 Fuertes precipitaciones en la parte alta de la cuenca del ro Valle
(urbanizacin Colinas de Carrizal), ocasionaron derrumbes y la formacin
de una laguna de hasta seis metros de profundidad en el rea de la
urbanizacin. Tres muertos, varios lesionados, prdidas materiales
importantes entre ellas el acuario Agustn Codazzi de la UCV; la altura del
lodo arrastrado se estim en dos metros. La Carretera Panamericana
bloqueada por deslizamientos.
Este ha sido un fenmeno recurrente; el ltimo espisodio fue en agosto de
1996.
1979-09-10 Derrumbes en el barrio La Carbonera, km 17 de la Panamericana, Estado
Miranda. La aduccin de agua a Los Teques qued fuera de servicio; va
obstruida.
De acuerdo con las normas vigentes COVENIN 1956 (1982), el Estado Miranda queda en la zona
ssmica cuatro, con aceleraciones de diseo iguales a 0,30g x 1,25 = 0,38 g para obras de
importancia excepcional, como es el caso de un sistema de abastecimiento de agua.
Cuadro 6.4
Componentes del sistema estudiado
Componentes Descripcin
Represas - L. Construida entre 1960 y 1962; tierra; 60 m de altura; 113 Mm3
capacidad. Torre toma de concreto armado (cota 190 msnm).
- L.P. Construida entre 1966 y 1969; enrocado; 65 m de altura; 8
Mm3 de capacidad (cota 1068 msnm).
Estaciones de bombeo, Cinco estaciones con tanques de succin principalmente de acero
tanque de succin y y alturas hasta de 38 m. Subestacin de 115/6,9 kW con equipos
subestacin de alto voltaje tradicionales de porcelana.
Tuberas Longitud total: 56 km: 2 km 84; 34 km 78; 13 km 60; 7 km
48.
Puentes Cuatro puentes de vanos importantes; uno de ellos autoportante
sobre el ro Tuy.
Chimeneas de equilibrio - Ocho chimeneas: 2 unidireccionales, 1 inclinada y 4 verticales
hasta de 98 m de altura.
Tneles Tres tneles con tubera a presin.
Planta de tratamiento Una a la entrada del sistema de distribucin con 8 m3/seg de
capacidad.
Ref.: Grinteins (1997)
De acuerdo con Pieretti (1965), volumen I, el caso de viento mximo se tom a razn de
150 kh/m2. Esto equivale aproximadamente a velocidades de viento de 108 km/hora, lo cual
resulta adecuado segn la norma COVENIN 2003 (1986) con un factor de importancia elica =
1,15.
66 Vulnerabilidad de los sistemas de agua potable frente a deslizamientos
El personal que opera el sistema observ que en los tramos afectados por deslizamientos,
las tradicionales juntas Dresser (foto 6.1) han resultado ser ms vulnerables a las fugas que las
uniones soldadas; aparentemente estas ltimas confieren una mayor deformacin al conjunto
antes de que aparezcan fugas.
Captulo 6: Estudio de caso 67
Foto 6.1
Acceso al puente sobre el ro Guaire, donde se ha tomado la fotografa;
detalle de la Junta Dresser
68 Vulnerabilidad de los sistemas de agua potable frente a deslizamientos
PLANTA DE GUAIRITA = 8 4 6 3 6 4 7
3 5 3 4 6 4 7
3 1 4 5 4 6 4
1 4 5 3 1 3 5
6 1 7 = EMBALSE
2 LAGARTIJO
Nota: No se incorporan en este modelo otros tramos del sistema. Embalse La Pereza a la
Estacin de Bombeo 25; Embalse Taguacita a la Estacin de Bombeo 21
Figura 6.3
Modelo en serie del sistema seleccionado como estudio de caso. La identificacin de los
componentes enumerados dentro de cada crculo se da en el cuadro 6.5
Resultados preliminares
El modelo de la figura 6.3 y los valores del cuadro 6.5 permiten la evaluacin cuantitativa
de la vulnerabilidad del sistema a sismos. Esto se ilustra a continuacin con dos ejemplos.
Ejemplo : Sismo local sobre la falla de Tcata (figura 6.1), con intensidad de Mercalli grado
VIII hasta la CH 22 (figura 6.2), Mercalli grado VII hasta el tnel del km 20-21,
y Mercalli grado VI hasta la planta de tratamiento de La Guairita. Para este
evento, comparable a otros reportados en la regin, la confiabilidad del sistema
resulta ser igual a 0.46; la probabilidad de que el sistema deje de operar es
bastante elevada (0,54). Los componentes que ms contribuyen a este resultado
son los que se encuentran en el rea de mayor grado de intensidad (grado VIII),
entre ellos, la represa de tierra y las tuberas en ladera.
Cuadro 6.6
Tasas de excedencia de intensidades de Mercalli
y probabilidades de ocurrencia en 30 aos
Toma de decisiones
Las utilidades esperadas dependern tanto de la accin X1 X2, como del estado de la
naturaleza (IMM). La mayor utilidad esperada, menor prdida en este caso, se obtiene
mediante la comparacin de las prdidas probables asociadas a cada alternativa de decisin.
Estas son:
Alternativa X1:
- 0,0023% R - 0,6% R - 6% R - 10% R = -0,166 R
Captulo 6: Estudio de caso 71
Alternativa X2:
- Co - 0,0012% R - 0,30% R - 1% R = - 0,013 R - Co
CONCLUSIONES
Cuadro 6.7
Estados de la naturaleza, alternativas de accin, consecuencias
esperadas y costos asociados
72 Vulnerabilidad de los sistemas de agua potable frente a deslizamientos
Estados de la
Acciones alternativas, consecuencias esperadas y costo (C) (1)
naturaleza en
trminos de
X1: No reforzar X2: Reforzar
IMM
Co = 0 Co = 50% R
V No daos No daos
VI No daos No daos
MATRICES DE VULNERABILIDAD
Por la ubicacin del sistema analizado, la topografa irregular, hoyas de influencia, fallas
geolgicas que la cruzan y geologa predominante del terreno, en la elaboracin de las matrices
de vulnerabilidad se ha seguido los lineamientos generales establecidos de la OPS/OMS para: (a)
sismos; (b) huracanes y (c) inundaciones y crecientes de ros.
ANEXO A
Para determinar la resistencia cclica promedio del depsito con los resultados de la
prueba de penetracin estndar SPT, el nmero de golpes N obtenido en esa prueba debe ser
corregido por esfuerzo efectivo de sobrecarga, contenido de finos y eficiencia en la ejecucin del
ensayo. Debido a que el valor de N para un determinado depsito est en funcin del esfuerzo
efectivo de sobrecarga, el valor medido de N se convierte a un valor de presin de sobrecarga
estndar N1 mediante la siguiente expresin propuesta por Liao y Whitman (1985):
1 /2
100
N1 = N '
v0
Cuadro A.1
Eficiencia
Pas
E
Argentina 0,45
China 0,50
Colombia 0,50
Japn 0,66
USA 0,60
Venezuela 0,43
Fuente: De Coduto, 1994
El valor del nmero de golpes corregido por eficiencia y esfuerzo efectivo de sobrecarga
se denota como (N 1 )60 . Este valor representa una medida de la densidad relativa del deposito o
resistencia promedio a la licuefaccin de arenas limpias con contenido de finos pasante del tamiz
No. 200, menor de 5%.
Cuando el contenido de finos es mayor de 5%, el valor de (N 1 )60 debe ser corregido. Esto
se debe a que el grado de drenaje durante la SPT disminuye con el incremento del contenido de
finos, por lo tanto, el nmero de golpes medido durante el ensayo subestima la resistencia a la
liquefaccin en las arenas limosas. Por ello, el valor de (N 1 )60 debe ser incrementado en la
cantidad (N 1)60 dada en la figura A.1.
Figura A.1
Correccin por finos para la prueba
de penetracin estndar
ESTIMACIN DEL ESFUERZO SSMICO IMPUESTO POR EL SISMO
La magnitud del esfuerzo cclico promedio impuesto por el sismo se puede estimar con el
procedimiento simplificado propuesto por Seed e Idriss (1982), segn la siguiente expresin:
Anexo A: Procedimiento para evaluar el potencial de la licuefaccn en depsitos granulares 93
amax
( sismo)
= 0,65 vo rd
'vo g 'vo
donde:
(sismo) = Esfuerzo de corte cclico promedio impuesto por el sismo.
amax = Mxima aceleracin del sismo impuesta en la superficie del terreno.
g = Aceleracin de la gravedad.
rd = Coeficiente de reduccin de esfuerzos, el cual puede ser evaluado como:
rd = 1- 0.01 z (z es la profundidad en metros).
vo = Esfuerzo total a la profundidad donde se evala el potencial.
vo = Esfuerzo efectivo a la profundidad donde se evala el potencial.
Una vez calculados los valores de (N 1 )60 (incluida la correccin por finos) y el esfuerzo
cclico promedio impuesto por el sismo, estos valores son ploteados como abcisas y ordenadas,
respectivamente. Los puntos cuyas coordenadas estn en la parte superior de la lnea divisoria
representarn depsitos susceptibles de sufrir licuefaccin, mientras que los puntos cuyas
coordenadas estn en la parte inferior de la lnea divisoria representarn depsitos donde se
espera que no se produzca licuefaccin.
La lnea slida en la figura A.2 representa la lnea divisoria entre los casos donde se
observ licuefaccin y los casos donde no se observ licuefaccin en sismos de magnitud 7.5,
cuya energa genera usualmente unos 15 ciclos representativos de carga. La ecuacin de la lnea
slida en la figura A.2 viene dada por la siguiente expresin:
= 0,011 ( N1 ) 60
'vo
donde:
t = Esfuerzo de corte cclico promedio requerido para causar licuefaccin.
(N 1)60 = Valor del nmero de golpes de la prueba de penetracin estndar
debidamente corregido por esfuerzo de sobrecarga, eficiencia y finos.
Como puede apreciarse en la figura A.2 y su respectiva ecuacin, es slo vlida para
valores de (N 1 )60 menores de 20 golpes.
desarrollaron un factor de correccin Cn para ajustar la lnea slida de la figura A.2 o la ecuacin
. Este factor de correccin aparece en el cuadro A.2.
Figura A.2
Criterio de licuefaccin
Cuadro A.2
Factor de correccin segn la magnitud del sismo
Las ordenadas de lnea slida de la figura A.2. deben multiplicarse por el factor de
correccin Cn correspondiente a la magnitud del sismo considerado para generar una nueva lnea
divisoria que servir como limite entre licuefaccin y no-licuefaccin para un sismo de esa
magnitud.
Ejemplo de evaluacin del potencial de licuefaccin
Solucin
Este valor de N =(N 1)60 = 12 ser usado como abcisa en la figura A.2. No es necesario
hacer la correccin por finos ya que el mismo es menor de 5%.
d) Se plotean los valores de (N 1)60; en la figura A.2 este punto se ubica en la parte superior de
la lnea divisoria y, por lo tanto, habr licuefaccin en caso de un evento ssmico como el
descrito.
Anexo B: Glosario 97
ANEXO B
GLOSARIO
Aluvin: Depsito de suelo que generalmente est compuesto por grava, arena y algunos limos.
Los aluviones son el resultado del arrastre de sedimentos de ros o corrientes de agua.
Amenaza: Fenmeno natural o provocado por la actividad humana (antrpico) que se torna
peligroso para las personas, propiedades, instalaciones y para el medio ambiente.
Anlisis de vulnerabilidad: Proceso para determinar los componentes crticos de los sistemas a
fin de establecer las medidas de mitigacin ante amenazas.
Arcilla preconsolidada: Arcilla que en el pasado geolgico fue sometida a una carga mayor que
la que soporta en la actualidad.
Cao: Canal angosto por donde circula una corriente de agua en forma intermitente.
Depsito coluvial: Suelo formado al pie de una montaa o ladera producto del desprendimiento o
arrastre de material de la montaa o ladera.
Estado de emergencia: Situacin declarada ante la inminencia del efecto de una amenaza o
despus que sta ha ocurrido.
98 Vulnerabilidad de los sistemas de agua potable frente a deslizamientos
Falla: Fractura con desplazamiento en macizo rocoso provocada por movimientos geolgicos.
Flujo de viento en la altura: Flujo de vientos fuertes que se producen dentro de la banda de nubes
del tipo cirros.
Masa de aire: Porcin de aire extensa con una aproximada homogeneidad horizontal
(uniformidad) en sus propiedades fsicas. La temperatura y la humedad de la porcin del aire
pueden variar de un nivel a otro. Debe cubrir una vasta rea.
Onda tropical: Masas de nubes embebidas en el cinturn de los vientos alisios que desde las
bajas presiones ecuatoriales se desplazan hacia el oeste y se extienden hacia el polo. Aparecen en
el mes de junio en el Atlntico tropical cuando la temperatura del agua de mar empieza a
aumentar sobre los 28 C.
Plan de emergencia: Conjunto de medidas que se aplican antes, durante y despus de una
amenaza como respuesta al efecto de la misma.
Plan de mitigacin: Conjunto de medidas y obras para minimizar los efectos de las amenazas y
reducir la vulnerabilidad de los componentes de los sistemas.
Preparacin: Conjunto de medidas definidas que deben implantarse antes de que se presenten los
impactos de las amenazas.
Ro: Corriente de agua de rgimen permanente o intermitente que se desplaza por un cauce, tiene
una fuente o cabecera y desembocadura a una gran cuenca.
Anexo B: Glosario 99
Suelo residual: Suelos formados por efecto de la meteorizacin de la roca madre. Estos suelos no
han sido transportados y presentan vestigios de la roca original.
Vaguada: Resultado de la penetracin de aire fro desde niveles altos hacia la superficie.
Generalmente la circulacin de esta masa de aire fro tiene forma de V. La nubosidad tpica de
esta formacin son nubes del tipo estratiforme que produce llovizna y escasa visibilidad.