Radar de estabilidad de taludes para gestión de riesgos geotécnicos en aplicaciones civiles

Ingeniero Geotécnico Senior de GroundProbe para las Américas, Andrei Torres

Los deslizamientos de tierra están más extendidos que cualquier otro evento geológico en el mundo. En los últimos 20 años, han causado 18.000 muertes en todo el mundo.

Hasta hace poco, identificar un proceso de inestabilidad con el tiempo suficiente para garantizar la seguridad de la vida humana y las comodidades ha sido increíblemente desafiante, en la mayoría de los casos las laderas no se monitorean en absoluto y cuando se monitorean existen limitaciones significativas utilizando métodos tradicionales. Esto es particularmente cierto en el caso de aplicaciones civiles donde las actividades de monitoreo tradicionales se han centrado principalmente en medir el movimiento de la superficie del suelo.

La tecnología de radar de estabilidad de taludes terrestre está demostrando ser una herramienta eficaz para monitorear taludes y ayudar a predecir la probabilidad de que ocurra un deslizamiento de tierra. Los datos obtenidos del radar se pueden utilizar no solo como un sistema de alerta, sino también para ayudar a diferenciar el impacto potencial de diferentes dinámicas en una variedad de entornos, desde eventos climáticos significativos hasta trabajos de remediación.

Fallas de taludes

Los deslizamientos de tierra ocurren en una amplia variedad de formas y entornos. Cuando se producen, generalmente son el resultado de la geología y la reología de la ladera y de las fuerzas desestabilizadoras causadas por el medio ambiente, los elementos climáticos y la actividad humana.

En estas circunstancias, los taludes son propensos a caídas en la resistencia al cizallamiento, lo que representa una seria amenaza para las comunidades y las instalaciones cuando se rompen. Las señales precursoras no siempre son obvias y pueden resultar en una falta de advertencia anticipada de la necesidad de evacuar el área. La imposibilidad de detectar eficazmente los desplazamientos precursores del terreno se debe a:

• Número limitado de puntos de medición
• Falta de datos auxiliares que respalden la instalación de una red de seguimiento
• Desconocimiento de la presencia de fenómenos de inestabilidad en curso
• Difícil accesibilidad al sitio
• Limitaciones económicas o logísticas generales

Debido a esto y a la variabilidad de los procesos de inestabilidad de un talud, es difícil caracterizar su comportamiento a través de los métodos tradicionales de modelización geotécnica y herramientas de seguimiento.

Por lo general, las evaluaciones del peligro de deslizamientos de tierra se han basado en mapas de susceptibilidad a los deslizamientos de tierra y catálogos de ocurrencia de deslizamientos de tierra y las cantidades de lluvia correspondientes. Por lo general, los datos de estas fuentes no contienen una descripción suficientemente completa de las condiciones necesarias para inducir deslizamientos de tierra, porque los umbrales de precipitación convencionales y los modelos de estabilidad asociados tienen una incertidumbre considerable.

Desde 2001, la tecnología de radar interferométrico ha sido bien aceptada en la industria minera como un sistema para identificar y cuantificar el peligro de falla de taludes. Ha sido un requisito fundamental para mantener la producción de manera segura.

Ahora, esta tecnología ha comenzado a encontrar su manera de hacer frente a los peligros naturales y las aplicaciones civiles. La aparición de tecnologías de radar de estabilidad de taludes para monitorear el movimiento de taludes ha abierto numerosas oportunidades, incluida la capacidad de identificar, cuantificar y mitigar potencialmente el riesgo de peligros geológicos.

Radares terrestres de estabilidad de taludes

Los radares terrestres de estabilidad de taludes han demostrado ser una herramienta única para el control de la deformación de la superficie. Estos instrumentos calculan el desplazamiento de fase inducido por la deformación de la señal electromagnética retrodispersada entre dos adquisiciones sin necesidad de instalar instrumentación física.

Los radares de monitoreo de taludes son Radar de apertura real (RAR) o Radar de apertura sintética (SAR). La diferencia fundamental es la dimensionalidad del radar que se utiliza para obtener imágenes y mapear espacialmente la deformación de superficies de taludes tridimensionales.

Tradicionalmente, RAR utiliza un haz de lápiz fino para proporcionar imágenes 3D completas (3DRAR) o un haz de abanico fino alargado verticalmente para imágenes 2D (2D-RAR). SAR utiliza un haz de abanico sintético (virtual) fino alargado verticalmente para la obtención de imágenes 2D (2D-SAR).

Información de seguimiento

Junto con los datos de desplazamiento, los radares de estabilidad de taludes también recopilan otros tres parámetros adicionales: coherencia, alcance y amplitud, que también son bastante útiles para comprender la naturaleza del área monitoreada y la dinámica de los procesos de inestabilidad.

Desplazamiento – Para calcular el desplazamiento de una zona determinada, los radares terrestres utilizan interferometría: se comparan dos señales de radar posteriores para calcular la diferencia de fase entre las dos adquisiciones consecutivas. Si no se ha producido ningún movimiento en el objetivo entre escaneos, el ángulo de fase de la señal entrante permanece constante. Si se ha producido movimiento entre escaneos, habrá una diferencia en el ángulo de fase que se puede convertir en desplazamiento.

Figura 1. Cálculo de desplazamiento mediante interferometría de radar terrestre.

Coherencia , que está controlada por la reflectividad del suelo y la descorrelación temporal entre las adquisiciones. La descorrelación es el resultado de las perturbaciones entre dos adquisiciones. Las adquisiciones altamente correlacionadas muestran altos valores de coherencia, mientras que las observaciones descorrelacionadas se expresarán mediante una caída en los valores de coherencia dependiendo del grado de perturbación en la superficie.

Alcance : que es la distancia medida desde el radar hacia el objetivo. Se calcula a partir del tiempo de vuelo de la señal, la velocidad de la luz y el tiempo necesario para que la señal de radar se transmita y se refleje al radar.

Amplitud : que representa la fuerza de la señal reflejada al receptor, que es una función de las características de las superficies, como la forma y el material.

Caso de estudio: Carretera Bogotá-Medellín, norte de Colombia

Escenario de riesgo geotécnico

A finales de 2016, se observaron algunos desprendimientos de rocas menores y flujos de escombros en la carretera Bogotá-Medellín, en el norte de Colombia. Las inspecciones de campo revelaron algunas grietas en la parte superior de la colina que pueden estar asociadas con un simple mecanismo de traslación, que presumiblemente ha sido impulsado por un período de condiciones climáticas adversas inusuales. Esto interrumpió parcialmente el intenso tráfico entre Bogotá y

Medellín ciudad (alrededor de 22.000 vehículos/día) y dado que la pista mostraba signos de mayor inestabilidad, permaneció cerrada durante los días siguientes.

Figura 2. El talud impactado en la carretera Bogotá-Medellín (K14+000), norte de Colombia

El 28 de diciembre se desplegó en el lugar un radar de estabilidad de taludes de apertura real para verificar las condiciones de estabilidad, determinar el tamaño de la posible zona inestable y caracterizar los procesos de desplazamiento.

Primeros resultados

12 horas después de la implementación del sistema, las imágenes de radar revelaron la extensión del área de deslizamiento, la tendencia y las tasas de desplazamiento y fue posible validar las suposiciones que se hicieron mediante inspección de campo sobre el mecanismo de falla.

Esto ocurrió superponiendo la información 3D-RAR en una imagen de cámara de alta resolución, lo que permitió la correlación visual de la información. La ventaja de esta integración fue facilitar la detección de las características en las áreas de escaneo a través de las imágenes 2D acumuladas.

La zona A no mostró evidencia de ningún cambio ni en su tendencia de deformación ni en sus tasas de deformación debido a los eventos de lluvia durante el período. La zona B mostró procesos de aceleración que podrían estar directamente correlacionados con algunos de los eventos de lluvia.

La escala de colores de la imagen de desplazamiento del radar muestra desplazamientos de -30 a +30 mm durante las primeras 12 horas. Los valores positivos (de rojo a amarillo) muestran el desplazamiento a lo largo de la línea de conexión hacia el observador, los valores negativos (de azul claro a violeta) lejos del observador y los valores verdes representan un desplazamiento cero.

La imagen de coherencia representa el grado de descorrelación entre las adquisiciones. La descorrelación es el resultado de movimientos fuertes dentro de una celda de resolución, por ejemplo, debido a escombros, cobertura vegetal o desplazamientos diferenciales.

Figura 3. 12 horas después de que se utilizara el sistema de radar terrestre, las imágenes de radar revelaron la extensión del área del deslizamiento de tierra y permitieron validar lo que se identificó mediante la inspección de campo sobre las razones de la falla del talud.

Monitoreo de radar durante los trabajos de recuperación

Se utilizó la técnica de radar de estabilidad de taludes terrestre para monitorear y proporcionar información oportuna para tomar decisiones acertadas durante los trabajos de recuperación.

El 1 de enero, las autoridades locales intentan inducir un deslizamiento de tierra mediante la realización de una voladura. Se esperaba que esta explosión provocara un colapso del material inestable y la información del radar terrestre permitió rastrear la respuesta del deslizamiento en tiempo real.

Figura 4. Análisis de desplazamiento de la voladura realizado el 1 de enero de 2017.

Durante los meses siguientes (diciembre de 2016 a agosto de 2017) los trabajos de recuperación se centraron en la reconfiguración del talud para reducir el ángulo general y conformar un conjunto de bancos. Se reportaron un total de 18 derrumbes y caídas de tierra.

Muchos de estos eventos se correlacionaron con los eventos de precipitación y los trabajos correctivos que se llevaron a cabo en la zona (el radar de estabilidad de taludes terrestre recopila información meteorológica que permitió verificarlo en tiempo real) y la mayoría de ellos se predijeron de manera oportuna y efectiva mediante el análisis de los datos de monitoreo.

Durante el periodo junio-agosto de 2017 las tasas de deformación disminuyeron, esta evidencia permitió validar la eficacia del plan de remediación y se finalizó la campaña de monitoreo.

Figura 5. Gráfico de velocidad inversa para la predicción de deslizamiento. Ubicación de un deslizamiento de tierra pronosticado.

Figura 6. Avance de las obras de remediación en marzo de 2017

El radar de estabilidad de taludes terrestre está demostrando ser eficaz en aplicaciones civiles para ayudar a comprender las diferentes dinámicas y los factores desencadenantes ambientales clave. Su futuro como herramienta eficaz en aplicaciones de ingeniería civil es muy prometedor, ya que los datos que puede proporcionar pueden ayudar a mitigar el riesgo y reducir el impacto de los desprendimientos de rocas y deslizamientos de tierra en las personas, la propiedad y la infraestructura crítica.

El uso de cálculos precisos y en tiempo real de desplazamiento y otros parámetros de radar identificó diferentes dinámicas en un área desafiante que tenía escombros activos, densa cobertura vegetal, eventos de precipitación y trabajos de remediación, y proporcionó información para tomar decisiones acertadas durante los trabajos de recuperación.