https://doi.org/10.22463/2011642X.3364
Recibido: 6 de mayo de 2022 - Aprobado: 18 de octubre de 2022
Cómo citar:
A. O. Oliva –González, M. A. Berumen-Rodríguez & D. Mascareño-Jiménez, “Procedimiento práctico para evaluar la estabilidad y probabilidad de falla de taludes de corte en el área urbana de Tijuana, México”, Rev. Ingenio, vol. 20(1), pp.16-23, 2023.
Las fallas de taludes en el área urbana de Tijuana, afectan cada año gran cantidad de estructuras e infraestructuras, produciendo cuantiosas pérdidas en diversos sectores de la economía. En este trabajo se presenta un procedimiento práctico e innovador para evaluar la estabilidad de taludes de corte en un sector del área urbana, basado en información existente sobre el área de estudio, así como en el juicio y experiencia de los autores. Dicho procedimiento permite determinar el nivel de seguridad de taludes con diferentes geometrías, condiciones de sismicidad y de saturación; y estimar la probabilidad de que se presenten fenómenos de inestabilidad, a partir de una correlación entre los factores de seguridad y la probabilidad anual de fallas, o mediante la aplicación de un modelo probabilístico basado en los registros históricos de fallas ocurridas en zonas donde los factores condicionantes y desencadenantes de inestabilidad sean similares a los del área de estudio. La aplicación del enfoque y procedimiento en algunos casos reales, demuestran que son viables y que podrían ser una herramienta de mucha utilidad tanto para el diseño de taludes, como para la corrección de las fallas que se producen en estas estructuras térreas.
Palabras clave:Estabilidad de taludes, Fallas de taludes, nivel de seguridad, probabilidad de falla.
Slope failures in the Tijuana urban area destroy a large number of structures and infrastructures every year, producing large losses in various sectors of the economy. In this paper, a practical procedure is presented to evaluate the stability of cut slopes in a sector of the urban area, based on existing information about the study area, and the judgment and experience of the authors. This procedure allows determining the safety level of slopes with different geometries, seismicity and saturation conditions, as well as estimating the probability of occurrence of instability phenomena, based on a correlation between safety factors and the annual probability of failure, or by applying a probabilistic model derived from historical records of past failures. The application of the approach and procedure in some real cases show that they are feasible and could be a very useful tool both for the design of slopes and for the correction of the failures that occur in these earth structures.
Keywords:Slope stability, slope failures, safety level, probability of failure.
Una falla de talud es el proceso de movimiento hacia abajo de una masa de terreno a lo largo de una superficie (plana o curva) con respecto a la masa estática restante. Las causas probables y sus mecanismos básicos suelen tener un comportamiento progresivo en el tiempo, por lo que la resistencia a cortante máxima a lo largo de la superficie de rotura generalmente se considera aplicable al análisis de las primeras fallas; mientras que, en el análisis de la posible reactivación de antiguos movimientos, es recomendable considerar la resistencia a cortante residual [3]. Para determinar si un talud es estable generalmente se utiliza el factor de seguridad, cuya definición y valores a lo largo de la superficie potencial de falla, ha sido ampliamente estudiado y debatido por diferentes autores [4-5-6 7-8-9].
Para resolver problemas de inestabilidad de un talud es importante determinar correctamente su nivel de seguridad, manejando adecuadamente los fundamentos geotécnicos que controlan su estabilidad. Para ello, existen diversos métodos y procedimientos que permiten determinar el factor de seguridad, pero casi todos brindan respuestas similares cuando se aplican correctamente [10-11-12-13]. Si el factor de seguridad es menor que ciertos valores límites admisibles que garantizan la estabilidad, el talud se considera potencialmente inestable y es conveniente estimar la probabilidad de que la falla ocurra o no. En la literatura técnica se reportan tres formas aceptadas para estimar las probabilidades de fallas de taludes: en base a datos históricos de frecuencias de observaciones, a partir del modelo matemático de la teoría de la probabilidad, o mediante la cuantificación de probabilidades subjetivas utilizando el juicio de experto.
La ciudad de Tijuana, México, es un ejemplo de expansión urbana rápida y desordenada. Con registros históricos de velocidades de crecimiento territorial de hasta 3.5 hectáreas/día y tasas de crecimiento poblacional de más de 6% anual, el área urbana continua su avance hacia zonas de topografía irregular donde predominan cañones y laderas de fuertes pendientes. En este escenario, los factores antropogénicos, unidos a la complejidad geomorfológica, geológica, geotécnica, y a la actividad sísmica, hacen que el riesgo de ocurrencia de fallas de taludes alcance niveles difíciles de predecir [13-14]. En el área urbana de Tijuana coexisten desarrollos residenciales e industriales construidos en zonas de laderas potencialmente inestables y sobre masas de terrenos removidas por antiguos deslizamientos de tierra [15].En este artículo se presenta un procedimiento para evaluar la estabilidad y probabilidad de fallas en un sector del área urbana de Tijuana, elaborado a partir de un enfoque práctico basado en la información geológica y geotécnica existente, el registro histórico de fallas ocurridas, el criterio de expertos y la experiencia de los autores.
1.1. Falla de taludes de corte en el área urbana de TijuanaEl rasgo geomorfológico principal de Tijuana es el río del mismo nombre, que recorre una planicie de aproximadamente 2 km de ancho y 18 km de longitud. Hacia el noreste del río destaca un área de mesetas y, al suroeste, un macizo montañoso que se caracteriza por una alta densidad de disección de drenajes naturales, unos hacia el río Tijuana y otros hacia el océano Pacífico [20-14]. Esta geomorfología ha propiciado el crecimiento de la ciudad en la cuenca del río y en sus microcuencas tributarias, por lo que más de la mitad del área urbana está ubicada en laderas con pendientes superiores al 35% donde el terreno es debilitado por la erosión de las corrientes de agua.
Tijuana se encuentra ubicada en una zona tectónicamente activa, conocida como “Zona de Cizalla del Sur de California” [21], limitada al norte por las sierras transversales del oeste de Estados Unidos, al sur por el sistema de la falla de “Agua Blanca”, al este por la zona de la falla de “San Andrés” y al oeste por el sistema de falla de “San Clemente”. En el norte de la península de Baja California, se desarrolla un complejo arreglo de fallas sísmicamente activas orientadas al NW que generan una condición de alto riesgo sísmico (Figura 2). Este marco tectónico constituye un importante agente generador de vibraciones y fuerzas inerciales que detonan fenómenos de inestabilidad del terreno, ante los cuales están expuestos con alta vulnerabilidad varias zonas residenciales e industriales del área urbana [22-23].
1.2.2. Factores desencadenantes. Los factores desencadenantes modifican las condiciones iniciales y corresponden a características regionales o locales naturales y antrópicas que pueden afectar de manera significativa la estabilidad del terreno y detonar fallas de taludes. En el área urbana de Tijuana, el intemperismo, la erosión y la actividad humana son los factores más importantes y producen acciones desestabilizadoras como: cambios en la geometría del terreno; aumento de cargas; modificación de los flujos de agua superficiales y subterráneos; cambios en la cobertura vegetal; y deforestación [15]. Las geoformas predominantes en el paisaje urbano y la presencia de grandes cárcavas y surcos profundos en taludes y laderas, reflejan los efectos del intemperismo y la erosión sobre los materiales expuestos en la superficie del terreno. En relación a la actividad humana, los cortes en laderas (sin estudios ni diseños geotécnicos previos), son el factor antrópico que más genera inestabilidades del terreno y la principal causa de fallas en taludes del área urbana de Tijuana.La mayoría de fallas han ocurrido en la unidad litológica 5 (Areniscas y conglomerados marinos y no marinos de la Fm. San Diego) [16] que, en su estado natural, están constituidos por arenas limosas y arcillosas con gravas y boleos.
2.2. Elaboración de ábacos para determinar factores de seguridad de los taludesDonde T es el período de retorno, RI es el intervalo de recurrencia medio histórico, t es el intervalo de tiempo de la base de datos de fallas, y N es la cantidad de fallas registradas.
Las curvas de la Figura 5 representan cuatro categorías de proyectos basadas en el nivel de ingeniería, que varían desde la mejor (categoría I) hasta la peor (categoría IV) [26].
• Categoría I: instalaciones diseñadas, construidas y operadas con ingeniería de vanguardia y cumpliendo con las normas y especificaciones técnicas vigentes.
• Categoría II: instalaciones diseñadas, construidas y operadas utilizando prácticas de ingeniería estándar.
• Categoría III: instalaciones que no contaron con diseños y su construcción u operación es deficiente.
• Categoría IV: instalaciones con poca o ninguna ingeniería.
Las Figuras 6(a) y 6(b) muestran los ábacos de comportamiento de los factores de seguridad mínimos para diferentes aceleraciones y niveles de saturación del terreno, respectivamente.
En la Tabla 4 se presentan las inclinaciones recomendadas para alcanzar niveles de seguridad aceptables, en taludes con alturas que no superen los 20m.
Como se observa, la probabilidad de ocurrencia de fallas de taludes de corte en el área de estudio es muy alta (entre 0.46 y 1.00) para períodos de retorno menores que la vida útil de cualquier proyecto de ingeniería.
3.2.2. Probabilidad de falla vs factor de seguridad. Para utilizar la correlación entre la probabilidad anual de falla y el factor de seguridad explicada en la sección 2.3.2., se propone el siguiente procedimiento:A partir de los resultados de estudios realizados posteriores a las fallas, se obtuvieron datos sobre las estructuras e infraestructuras existentes en los sitios afectados, así como sobre las condiciones geométricas, geotécnicas, hidrológicas y sísmicas que tenían los taludes en el momento de las fallas. Con esta información, se aplicó el procedimiento propuesto y se determinaron: la categoría de los proyectos e instalaciones que se encuentran en los sitios donde se ubican los taludes fallados, así como los factores de seguridad y las probabilidades anuales de falla que tenían los mismos en el momento del colapso (Tabla 5).
Los resultados validan el procedimiento propuesto porque indican que los taludes presentaban muy bajos niveles de seguridad y muy alta probabilidad de ocurrencia de fallas.
4. DiscusiónEl procedimiento que se presenta en este trabajo se elaboró con el objetivo de proporcionar a los ingenieros una herramienta práctica y confiable, tanto para el diseño de taludes, como para la corrección de las fallas que puedan producirse en estas estructuras térreas. Dicho procedimiento, permite evaluar la estabilidad de taludes de corte en un sector del área urbana de Tijuana, a partir de la determinación del nivel de seguridad y la estimación de la probabilidad de ocurrencia de fallas. Se elaboró, utilizando datos e información geológica y geotécnica existente sobre el área de estudio, los registros históricos de fallas ocurridas, el juicio de expertos y la experiencia de los autores.
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