“MANEJO DE AGUAS DE LLUVIAS EN LADERAS Y
ESTABILIDAD DE LADERAS DESDE LA PERSPECTIVA DE
RIESGO”
UNIDAD I
“LA LLUVIA Y SUS EFECTOS SOBRE LA
ESTABILIDAD DE LADERAS”
PRECIPITACIÓN (LLUVIAS)
Llovizna
Formas
Gotas con diámetros de 0.1 a 0.5 mm
Velocidad de caída baja: 1 m/seg a < 3 m/seg
Lluvia
Gotas con diámetros > 0.5 mm
Velocidad de caída media: 3 m/seg a < 7 m/seg
Chubasco
Gotas grandes y dispersas con diámetros > 3 mm
Velocidad de caída > 7 m/seg
Escarcha
Capa de hielo con bolsas de aire
Nieve
Cristales complejos de hielo
Granizo
Precipitación en forma bolas o formas irregulares
de hielo
Diámetro entre 5 y 125 mm
Precipitación es la fuente
primaria del agua de la
superficie terrestre
Origen de la precipitación
El origen de precipitación,
se asume principalmente
gracias a dos fenómenos:
1. Unión de gotas
2. Engrosamiento de la gota
por fusión y condensación
con otras (coalescencia)
CLASIFICACIÓN DE LA PRECIPITACIÓN
Atendiendo al factor que
provoca la elevación del
aire en la atmósfera, la
precipitación se clasifica
en:
A. Convectiva
B. Orográfica
C. Ciclónica
A. PRECIPITACIÓN CONVECTIVA
• Propias de tiempo caluroso y de
regiones tropicales
• Son acompañadas de rayos y
truenos
• La precipitación se da por los
siguientes procesos:
 Evaporación
 Elevación por convección
 Enfriamiento por ascenso (gradiente)
- Adiabático seco (1° C /100m)
- Adiabático húmedo o saturado
(0.5°C /100m)
• Las masas de vapor acumulado
forman las llamadas Células de
Convección.
B. PRECIPITACIÓN OROGRÁFICA
• La precipitación se da por
los siguientes procesos:
 Evaporación
 Empuje del vapor hacia las
montañas
 Enfriamiento por ascenso a
lo largo de la montaña
 Condensación y
Precipitación
C. PRECIPITACIÓN CICLÓNICA
• La precipitación se da por
los siguientes procesos:
 Choque de dos masas con
diferente temperatura y
humedad
 Nubes mas calientes
impulsadas a las partes altas
 Condensación y
Precipitación
• Están asociadas con el
paso de ciclones o zonas
de baja presión.
Estudios realizados en Puerto Rico, (Larsen y
Simmon, 1992) encontraron que la intensidad de
lluvia (mm/h) que produce deslizamiento depende
de la duración de la misma (D horas), según la
expresión: I = 91.46 D-0.82
De acuerdo a la investigación, en tormentas que
tienen duraciones de hasta 10 horas, los
deslizamientos no ocurren hasta que la intensidad
alcanza valores tan altos como de dos a tres veces
(10 horas) la intensidad.
AGUA SUPERFICIAL Y SUBTERRÁNEA CON
RELACIÓN A LA ESTABILIDAD DE TALUDES
AGUA SUPERFICIAL
Es la proporción de precipitación que fluye
superficialmente sobre el suelo. Esta
energía, que se concentra en corrientes de
agua, generalmente actúa como un
detonante en taludes inestables y producen
deslizamientos.
AGUA SUBTERRÁNEA
Durante el escurrimiento superficial, se
produce infiltracion y percolación de agua
en el suelo y subsuelo, constituyendo las
aguas subterráneas (agua freática que
forman los acuíferos).
Presiones de poros
El agua
subterránea
afecta la
estabilidad del
talud de acuerdo
a los siguientes
mecanismos
básicos:
Disminución o eliminación de las
presiones de poros negativos por
saturación
Lavado de cementantes
Erosión interna
Aumento de densidad
Fuerzas dinámicas
Otros mecanismos: como las grietas
Otros mecanismos: las rocas, y la
supresiones de las capas impermeables
Presiones de poros
1. Es la presión interna del agua al saturarse en el suelo
2. Tendrá mayor o menor presión de poros, según los niveles
freáticos, tipos de acuíferos y las características geológicas
3. El valor se mide utilizando piezómetros
Disminución o eliminación de las presiones de poros,
negativas por saturación
1. Al saturarse un suelo disminuyen las tensiones capilares o
presiones negativas (aniones con cargas negativas)
disminuyendo la resistencia
2. La resistencia de un suelo puede variar de un máximo al final
de la época seca, a un mínimo durante la época de lluvia y es
por eso que posterior a una gran lluvia ocurren los
deslizamientos
Lavado de cementantes
1. El agua subterránea puede eliminar del talud los
cementantes solubles, consiguientemente empobrecer la
cohesión y el coeficiente de fricción interna
Erosión interna
1. El movimiento del agua subterránea elimina la arena fina y
partículas sueltas de las cavidades subterráneas del talud,
debilitando así su estabilidad
Aumento de densidad
1. La presencia de humedad aumenta la densidad o peso de
los materiales de suelo, provocando mayor presión
Fuerzas dinámicas
1. Agua subterránea ejerce fuerzas sobre el suelo en la
dirección del flujo
2. Para calcular la fuerza de las corrientes de agua se requiere
dibujar la red de flujo subterráneo
3. Esta fuerza actúa como un elemento desestabilizante en la
masa del suelo
Otros mecanismos
1. Como las grietas en las rocas, y la supresiones (eliminación)
de las capas impermeables (disminuyendo la resistencia del
suelo)
MEDICIÓN DE LA PRECIPITACIÓN
Se mide en función de la
altura de la lámina de
agua que cae por unidad
de área
Si
hp= 1mm
Entonces:
Volumen= 0.001 m3
o igual a 1 litro
Area = 1 m2
hp
Pluviómetro
 Aparato destinado a medir la
cantidad de agua caída,
expresada a través de la cantidad
de litros o milímetros caídos por
metro cuadrado
 Cualquier recipiente de boca
ancha, cuya superficie sea
conocida puede servir como
pluviómetro; para efectuar las
medidas, se utilizará una probeta
graduada que dará los cc. de
precipitación caídos en el
pluviómetro
 El pluviómetro tipo Hellmann es
el instrumento meteorológico
más generalizado
20 cm Φ
Estaciones automáticas
 Registran parámetros
hasta cada minuto
 Bajo costo
 Pueden ontenerse los
datos en tiempo real
 Proceso se hace
mediante un programa
especializado
CALCULO DE LA PRECIPITACIÓN MEDIA SOBRE
UNA ZONA (SITIO)
Los métodos pueden ser utilizados para
calcular precipitación media anual o de una
tormenta
Metodologías:
Promedio aritmético
Polígonos de Thiessen
Isoyetas
a) Promedio aritmético
• Promedio aritmético, de las
alturas de precipitaciones
registradas, de las
estaciones localizadas
dentro de la zona
• Precisión depende de:
Cantidad de estaciones
Distribución de estaciones
Distribución de lluvias
• Es un método bueno si hay
un gran número de
pluviómetros
b) Polígonos de Thiessen
• Se necesita conocer
la localización de las
estaciones dentro y
fuera del área de
estudio
• Este método se
puede utilizare en el
laboratorio
utilizando SIG
c) Isoyetas
• Se necesita de un mapa de
isoyetas para el área de
estudio
• Este era el método más exacto
• Se necesita un buen criterio
para el trazado de las isoyetas
(líneas de igual precipitación)
• Precipitación orográfica sigue
el patrón de curvas a nivel
d) Interpolación espacial (SIG)
La interpolación es necesaria:
•
•
Cuando los datos no cubren
toda la región de interés de
estudio (datos de estaciones
meteorológicas)
Métodos
 Inverso de la distancia ponderada
(IDW)
 Spline
 Kriging
 Otros
ESTUDIO DE UNA TORMENTA
Tormenta: conjunto de lluvias que obedecen a una
misma perturbación meteorológica y de
características bien definidas.
El análisis de las tormentas, está íntimamente
relacionado con los cálculos o estudios previos, al
diseño de obras de ingeniería hidráulica, como son:
• Estudio de drenaje: estimación de caudales máximo
• Conservación de suelos
• Cálculo del diámetro de alcantarillas
Dentro de los elementos fundamentales del
análisis de las tormentas, hay que considerar:
Intensidad
• Cantidad de H2O caída por unidad de tiempo
• Lo más importante es la intensidad máxima
• La intensidad se expresa así:
Imax = P / t
donde:
Imax= intensidad máxima en mm/hora
P = precipitación en altura de agua, en mm
t = tiempo, en horas
Duración
• Tiempo entre el comienzo y el fin de la tormenta.
• Período de duración (PD) = un determinado
período de tiempo, tomado en minutos u horas,
dentro del total de la tormenta.
• El PD tiene importancia en la determinación de
intensidades máximas.
• Tanto la intensidad como la duración se obtienen
del pluviograma.
Frecuencia (f)
• No. de veces que se repite una tormenta de
características de intensidad y duración, definidas en un
período de tiempo expresado en años
Tiempo de retorno (Tr)
• Intervalo de tiempo promedio, dentro del cual un evento
de magnitud X puede ser igualado o excedido por lo
menos una vez en promedio
• Es el inverso de la frecuencia
• Se representa como: Tr = 1/f
Ejemplo, para una localidad de San Salvador, se presentó una
tormenta de intensidad máxima igual a 60 mm/hr, para una duración
de 30 min., y un período de retorno de 10 años
EL HIETOGRAMA Y LA CURVA DE MASA DE
PRECIPITACIÓN
Mediante el hietograma es fácil expresar a qué
hora, la precipitación adquirió su máxima
intensidad y cuál fue el valor de ésta
•
Matemáticamente este gráfico, está representado
por la relación:
Donde: i = intensidad; P = precipitación; y t =
tiempo
En relación a la curva masa de precipitación,
representa la precipitación acumulada en
relación al tiempo
Se extrae directamente del registro del
pluviograma
La curva masa de precipitación, es una curva
no decreciente, donde la pendiente de la
tangente en cualquier punto, representa la
intensidad instantánea en ese tiempo
A. PROCESO PARA EL ANÁLISIS DE UNA TORMENTA
REGISTRADA POR UN PLUVIOGRAMA
1) Conseguir el registro de un pluviograma
2) Realizar una tabulación con la información obtenida del
pluviograma, en forma similar a la mostrada en la tabla de la
diapositiva siguiente, donde sus columnas son:
(1) Hora: se anota las horas en que cambia la intensidad, se reconoce por el cambio de la
pendiente, de la línea que marca la precipitación
(2) Intervalo de tiempo: es el intervalo de tiempo entre las horas de la columna (1)
(3) Tiempo acumulado: es la suma sucesiva de los tiempos parciales de la columna (2)
(4) Lluvia parcial: es la lluvia caída en cada intervalo de tiempo
(5) Lluvia acumulada: es la suma de las lluvias parciales de la columna (4)
(6) Intensidad: es la altura de precipitación referida a una hora de duración, para cada
intervalo de tiempo
Su cálculo se realiza mediante una regla de tres simple, obteniéndose:
3. Dibujar el hietograma, esto se consigue ploteando las
columnas (3) vs (6)
4. El hietograma permite apreciar objetivamente como varía
la intensidad durante la tormenta
5. Dibujar la curva masa de precipitaciones, esto se consigue
ploteando las columnas (3) vs (5)
6. Finalmente se calcula la intensidad máxima para
diferentes períodos de duración. Los períodos de duración
más utilizados son: 10, 30, 60, 90, 120 y 240 min
Ejemplo:
Calculo de Intensidades
Máximas
I max = 6 mm/h
Es la misma intensidad
para los valores que son
menores a una hora
Imax10 min= 6 mm/h
Imax30 min= 6 mm/h
Duraciones de más de 60
minutos
Imax90 min=
Duraciones de más de 60 minutos
Imax120 min=
A mayor período de duración
menor intensidad máxima
B. ANÁLISIS DE FRECUENCIA DE LAS TORMENTAS
Para el análisis de las
frecuencias de las tormentas,
hacer lo siguiente:
1. Analizar todas las tormentas
caídas en el lugar, siguiendo el
proceso ya indicado, es decir,
para cada tormenta hallar la
intensidad máxima, para
diferentes duraciones
2. Tabular los resultados en orden
cronológico, tomando la
intensidad mayor de cada año
para cada período de duración
(10, 30, 60, 120 y 240 min), en
una tabla similar a la mostrada
3. Ordenar en forma
decreciente e
independiente del
tiempo, los valores de las
intensidades máximas
correspondientes a cada
uno de los períodos de
duración. Para cada valor,
calcular su período de
retorno utilizando la
fórmula de Weibull:
4. Construir las curvas
intensidad - duración período de retorno (i- d-T).
Para la elaboración de estas
curvas, hacer lo siguiente:
• Trazar los ejes de coordenadas;
en el eje X, colocar las
duraciones (en min), mientras
que en el eje Y, colocar los
valores de las intensidades (en
mm/hr)
• Para un período de retorno T
(en años) ubicar los pares
(duración, intensidad), para ese
período de retorno T
• Trazar una curva que una los
puntos (duración, intensidad).
• Repetir los dos últimos pasos
para otros valores de T
Calcular la intensidad máxima
para una duración de 60 minutos
y un período de retorno de 10 años
INFILTRACIÓN
La infiltración es el proceso
por el cual el agua en la
superficie de la tierra entra en
el suelo. Si la tasa de
precipitación excede la tasa
de infiltración, se producirá
escorrentía
La infiltración está gobernada
por dos fuerzas: la gravedad y
la acción capilar
En lo concerniente a la
infiltracion, es importe tener
presente el ciclo hidrológico:
Esquema del ciclo hidrológico
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