ÍNDICE

I-ESTUDIO PREVIO

1. INTRODUCCIÓN

2. LADERA INESTABLE

3. MOVIMIENTOS PREVISIBLES

4. CÁLCULO DE LA ESTABILIDAD DEL TALUD

5. CONSOLIDACIÓN DE LADERAS INESTABLES

5.1-Escalonar el talud

5.2-Descabezamiento y tacones

5.3-Armado del terreno.

5.4-Muros y revestimientos.

5.5-Sistemas de drenaje.

II-AUSCULTACIÓN TOPOGRÁFICA

1. INTRODUCCIÓN

2. SISTEMA DE CONTROL

3. PRISMAS DE CONTROL

4. ESTACIÓN TOTAL

4.1-Correcciones atmosféricas

4.2-Orientación

4.3-Levantamiento

4.4-Ciclos de Orientación y Lectura

5. GNSS

6. MONITORIZACIÓN DE LOS DATOS

7. PROGRAMA DE GESTION Y ANALISIS DE DATOS

7.1-Control de los Instrumentos

7.2-Base de Datos

7.3-Cálculo de Coordenadas

7.4-Ánalisis de Datos

7.5-Consultas

I Estudio Previo

1-INTRODUCCIÓN

Durante la ejecución de un desmonte la excavación introduce una alteración en el estado inicial del terreno, que lleva consigo la generación de movimientos a fin de restablecer el equilibrio tensional del suelo.

En frentes abiertos como los grandes taludes de Minería u Obra Civil los desplazamientos del terreno tienen un carácter aproximadamente tangencial siguiendo la línea de rotura y según la magnitud, pueden originar derrumbes y afecciones a viviendas, instalaciones o accesos situados en la superficie del terreno. Estos movimientos tangenciales dan lugar a la rotura del terreno produciendo deslizamientos en superficie y desprendimientos en todo el frente del talud. El movimiento de la ladera puede alcanzar magnitudes considerables comprendidas entre las décimas de milímetro con movimientos muy leves hasta la completa rotura total del talud donde puede desplazarse decenas e incluso centenares de metros.

Los desplazamientos finales dependen en gran medida de:

• Geometría de la excavación.
• Características del terreno.
• Presencia de agua.
• Sismicidad de la zona.

2- LADERA INESTABLE

Se define desmonte como excavación a cielo abierto de una zanja de grandes dimensiones que genera, durante el proceso de extracción, un paramento aproximadamente vertical sobre el frente montañoso.

En este tipo de excavaciones se forma una plano de posible rotura tras la cuña del terreno debiendo asegurar la estabilización del talud minimizando, de este modo, cualquier deslizamiento del conjunto.

En minería el frente se desarrolla en un perímetro alrededor de la excavación donde la tendencia natural del terreno es el desplazamiento hacia el centro de la misma.

Debido a la peligrosidad de un posible deslizamiento se debe controlar los posibles movimientos del talud hasta alcanzar el equilibrio del sistema. Si la deformación sigue un proceso continuo sin alcanzar la estabilización deseada es preceptiva la aplicación de métodos de contención.

3-MOVIMIENTOS PREVISIBLES

Antes de dimensionar los sistemas de auscultación que controlarán el avance de los trabajos se debe hacer un estudio previo para calcular los movimientos previsibles del terreno frente a la ejecución del desmonte.

El vector movimiento del terreno corresponde a la formación de una línea de rotura a una distancia ”x” de la cabeza del talud.

La dimensión “x” varía linealmente con la profundidad “z” a la que está situado el pie del talud y a la naturaleza del terreno. Gracias a las comprobaciones empíricas realizadas y de un modo muy aproximado se puede determinar la zona de afección lateral tomando el ángulo de rozamiento interno del tipo de suelo desde el pie del desmonte hasta la superficie para delimitar el alcance de la rotura de la cuña del suelo. Esta distancia es la máxima distancia de afección que puede alcanzar una ladera inestable.

En grandes explotaciones mineras a cielo abierto la franja de afección será la resultante de la yuxtaposición de todos los contornos que delimitan la línea de rotura del conjunto de frentes.

ANEXO TÉCNICO: Tipologías de Rotura de Taludes

El ingeniero sueco Pettersson, tras estudiar con detenimiento este problema, concluyó que el deslizamiento de un suelo se produce a lo largo de una superficie de curvatura variable que posteriormente asimiló a un arco de circunferencia dada su mayor simplicidad de cálculo. En honor a la nacionalidad de su descubridor, estas superficies de rotura reciben el nombre de círculos suecos.

Este modelo general de rotura presenta diversos matices en función del tipo de suelo y de la geometría del talud, pudiéndose distinguir los siguientes casos:

(a) Círculo superficial de pie: La superficie de deslizamiento pasa por el pie del talud, siendo éste el punto más bajo de la misma. Este tipo de rotura se produce en suelos con alto ángulo de rozamiento Interno –gravas y arenas fundamentalmente- o en taludes muy inclinados.

(b) Círculo profundo: En este caso, la superficie de rotura pasa por debajo del pie del talud. Se da con asiduidad en taludes tendidos o formados por suelos de bajo rozamiento interno, como arcillas y limos.

(c) Círculo profundo de pie: Al igual que ocurría en el primer caso, la superficie de deslizamiento intersecta con el pie del talud, aunque es esta ocasión no se trata de su punto más bajo. Se plantea como situación intermedia entre las dos anteriores.

(d) Círculo condicionado: La presencia de estratos más duros o de diversos elementos resistentes –muros, pilotes, edificaciones, rellenos, etc- en las proximidades del talud condiciona la magnitud y profundidad de la superficie de rotura.

(e) Los anteriores supuestos tienen aplicación únicamente en el caso de que el terreno sea homogéneo. En el supuesto que presente heterogeneidades en su seno, será preciso recurrir a otros modelos más complejos, que emplean métodos discretos de cálculo basados en elementos finitos.

4-CALCULO DE LA ESTABILIDAD DE TALUD

Los efectos en superficie dependen de varios factores como son la geometría del desmonte, el tipo de terreno, la presencia de agua, la profundidad de la excavación del talud, la sismicidad de la zona entre otros pero es en este punto donde, a partir de las variables anteriores, se debe estudiar la estabilidad del conjunto y la afección a las estructuras y accesos del entorno.

Para ello, una vez analizado el proceso de rotura de un talud, el siguiente paso es cuantificarlo, de forma que podamos hacernos una idea de cómo deberán diseñarse o en su defecto reforzar los taludes para que éstos sean estables.

Para realizar este análisis cuantitativo existen diversos métodos de cálculo –la mayoría de ellos de origen semiempírico- que tratan de relacionar las características del suelo con las solicitaciones a las que éste se ve sometido.

5-CONSOLIDACIÓN DE LADERAS INESTABLES

Una vez analizado la estabilidad del terreno y calculado su coeficiente de seguridad se debe analizar las medidas paliativas –si estas fueran necesarias- para evitar el colapso del terreno.

La solución más evidente para consolidar una ladera pasa por realizar un talud más tendido. Esto no siempre es posible, ya que pueden existir problemas de incompatibilidad de espacio con asentamientos o infraestructuras existentes. Además, esta solución acarrea un gran movimiento de tierras, resultando, en la mayoría de los casos, antieconómica.

Existen otros métodos –algunos de ellos protegidos por patentes comerciales- empleados para conseguir una mejor respuesta del terreno a la acción de fuerzas desestabilizadoras.

5.1-Escalonar el talud

Consiste en construir bancos y bermas para evitar que se produzcan roturas superficiales que afecten a todo el frente del talud.

La construcción de bermas tiene la ventaja de:

• Retener bloques que se desprendan.
• Retener roturas locales del talud.
• Permitir la instalación de medidas de drenaje.
• Acceso para saneamiento y control de talud.

5.2-Descabezamiento y tacones

Se realiza una excavación en la parte superior para aminorar el peso de la ladera. Paralelamente estas tierras pueden aprovecharse para incrementar el peso al pie del talud.

Tienen el inconveniente de que implica desmontar de nuevo parte del talud y ocupar espacio en la base donde suele ser escaso.

5.3-Armado del terreno

Esta técnica consiste en proporcionar resistencia al terreno empleando elementos ajenos al mismo. Dos claros ejemplos son la penetración de bulones metálicos anclados al terreno y sujetos al mismo mediante inyecciones de cemento creando un bulbo de lechada en su extremo más profundo o el micropilotaje, que consiste en hincar pilotes de hormigón para recompactar y fijar el terreno en capas estables.

5.4-Muros y revestimientos

Un muro puede ser la solución ideal para taludes que necesitan una pendiente suave, ya que evita el desmonte de gran cantidad de terreno para suavizar la pendiente. Por otro lado, un revestimiento superficial con gunita –hormigón proyectado- creará una pantalla resistente, flexible e impermeable que ayudará a reducir la erosión y derrumbes. La mayoría de los taludes gunitados se construyen asegurando que el agua no se acumula tras el muro de gunita generando una gran presión. Esto se consigue generalmente colocando orificios de escape y material de drenaje cerca de la base del talud. Ambas técnicas pueden combinarse con un sistema de anclaje al terreno, aumentando en mucho su efectividad.

5.5-Sistemas de drenaje

El agua es un factor clave para la formación de inestabilidades en el talud, ya que no solo genera microfisuras internas sino que también su peso aporta una sobrecarga al conjunto que puede provocar el colapso general de la ladera. Por ello, un adecuado sistema de drenaje que aísle al terreno del agua infiltrada contribuirá a mejorar la estabilidad del talud.

II Auscultación Topográfica

1-INTRODUCCIÓN

Una vez iniciados los trabajos y hecho un cálculo de la estabilidad del talud, es conveniente comprobar que el equilibrio del terreno se mantenga dentro de los límites previstos.

Para ello es necesaria una continua toma de datos sobre el frente registrando, si los hubiera, los movimientos producidos. Una vez registrados los datos y conociendo los desplazamientos se debe valorar si dichos desplazamientos entran dentro de la previsión o por el contrario están fuera de los márgenes establecidos.

2-AUSCULTACIÓN TOPOGRÁFICA

Para un control geométrico exhaustivo es necesario un seguimiento automatizado informando en todo momento de los posibles desplazamientos del talud.

2.1-Equipos Topográficos

El sistema de control se realiza bajo instrumentación topográfica que consta de Estación Total, prismas de control y/o GPS.

2.2-Comunicación

Dispositivo que comunica el Instrumento Topográfico con el Centro de Control enviando los datos registrados y recibiendo nuevas instrucciones de lectura.

2.3-Software de Control

a.i) Servidor de Control

Terminal de Control encargado de recibir, registrar, calcular, analizar y mostrar el conjunto de datos. Por otro lado transmite las nuevas instrucciones de lectura a los instrumentos.

a.ii) Terminales de Consulta

Software de consulta de datos para observar a tiempo real la evolución de la auscultación. Su visualización puede ser mediante conexión Web.

2.4-Método de Control

La prolongada previsión de toma de datos obliga que el sistema se diseñe en modo totalmente automatizado y que registre, gestione e informe de los posibles movimientos sin necesidad de operador de campo.

La Estación Total tiene la función de medir el conjunto de prismas distribuidos sobre la zona a auscultar según un ciclo de observaciones previamente establecido. Una vez registrada cada una de las lecturas, envía las medidas, mediante el dispositivo de monitorización, a un centro de gestión que procesa y analiza los datos modificando, si fuera necesario, los ciclos de lectura y enviando las nuevas instrucciones a la Estación Total a través del mismo dispositivo de monitoreo.

Los resultados se comparan según unas tolerancias previamente establecidas. En caso de producirse movimientos superiores a los previstos el sistema genera una señal de aviso clasificando el movimiento, según el umbral alcanzado, en zona verde (movimiento previsto), zona ámbar (alerta de aumento de movimiento) y zona roja (alarma por inestabilidad del talud).

Opcionalmente el sistema también puede disponer de GPS GNSS para obtener coordenadas absolutas y de este modo, detectar posibles movimientos que abarquen incluso la zona donde se han establecido los instrumentos de control.

3-PUNTOS DE CONTROL

Se debe disponer un conjunto de puntos de control fijados sobre el frente del talud. El movimiento de dichos puntos será objeto de estudio, de modo que, para la modelización y extrapolación de un modelo de previsiones de movimiento se debe analizar la posición que debe ocupar cada uno de ellos y comparar posteriormente el movimiento vector de cada punto con el modelo previsto.

Para poder mantener un estado de medidas sobre los puntos éstos se materializarán con prismas y/o antenas GNSS anclados sobre el terreno.

4-ESTACIÓN TOTAL

La estación total Trimble S9 High Precision de 0,5” de precisión angular es el instrumento de alta gama diseñado específicamente para monitorizaciones. La Estación Trimble S9 será la encargada de medir los prismas distribuidos sobre la zona a auscultar.

La estación total tiene la función de tomar lectura de la posición de los prismas registrando el ángulo horizontal, vertical y distancia inclinada. Posteriormente transforma estas variables polares en un sistema de coordenadas cartesiano.

Adicionalmente el modelo Trimble S9 Vision, al disponer de una cámara interna, puede observar a través de video y en modo remoto, las visuales que esté realizando el instrumento y gracias al dispositivo de monitoreo Settop M1 observar en tiempo real el objetivo.

Las precisiones de dicho instrumento se cifran según cero coma cinco segundo sexagesimal en precisión angular y un 0,8 mm más 1 ppm (partes por millón) de la distancia tomada, lo que representa que si realizamos una lectura media a 100m de longitud obtendremos una diana de puntos de máxima probabilidad de:

• Desviación Transversal (angular) = 100 m x Tg (0,5’’) x √2 ≈ 0,3 mm
• Desviación Longitudinal (distanciometría) = 0,8 mm + 1 x 0.1 ≈ 0,9 mm

4.1-Correcciones atmosféricas

Los instrumentos topográficos disponen de un distanciómetro que mide con gran precisión la longitud entre el eje principal del instrumento y el prisma. Básicamente el distanciómetro emite una onda electromagnética que se refleja en el prisma y vuelve hasta su punto de partida. La diferencia de amplitud entre la onda emitida y la recibida nos determina la longitud total.

Como el medio de propagación es el aire las ondas están afectadas por la presión atmosférica, la temperatura y en menor medida el % de humedad del aire teniendo que corregir cada una de las distancias tomadas con dichas variables.

La estación Trimble S9 dispone de barómetro con lo que únicamente se precisa la temperatura -y de modo opcional el % de humedad- para corregir la distancia. A tal efecto es aconsejable en cualquier monitoreo instalar una estación meteorológica para aportar los datos de temperatura y % de humedad y de este modo, junto con el valor de la presión, calcular la distancia corregida en todas las lecturas.

Para transmitir la información de la estación meteorológica se conectan los sensores al dispositivo de monitoreo Settop M1 y éste envía los datos al centro de control que calculará las distancias corregidas.

4.2-Orientación

Antes de iniciar las lecturas sobre los puntos a auscultar se debe orientar el instrumento para que trabaje sobre un sistema cartesiano previamente establecido. Existen tres posibilidades:

a) Orientación arbitraria: No especificamos la orientación utilizando la que nos muestre por defecto el instrumento o editando una directamente.

Es una orientación válida para conocer los diferenciales entre puntos sucesivos pero no es aconsejable para observar los movimientos absolutos de los puntos a auscultar.

Orientación Arbitraria

b) Orientación directa: Conociendo las coordenadas del instrumento y las del punto de orientación realizamos una visual al punto de referencia igualando la orientación del instrumento a la del acimut* calculado entre los dos puntos. Después de uno o varios ciclos el instrumento realizará de nuevo lectura al punto de referencia para actualizar la orientación.

Es un sistema que nos permite conocer, en términos absolutos, los movimientos de los puntos a auscultar. Debe tomarse la precaución de asegurar que tanto el instrumento como la base de orientación se ubiquen fuera de la zona de afección. Si esto no fuera posible se instalaría un segundo sistema GPS GNSS que actualizaría las coordenadas del instrumento y/o del punto de orientación.

*Acimut: Ángulo polar que parte del punto origen (instrumento) con referencia al Norte de la Cuadrícula (muy cercano al Norte Geográfico) hasta alcanzar el punto de orientación.

Orientación directa fuera de la zona de afección y Orientación directa dentro de la zona de afección

c) Intersección Inversa: Conociendo las coordenadas de varios puntos de referencia realizamos lecturas al conjunto de bases para asignar coordenadas y orientación acimutal al instrumento.

Es un método que actualiza las coordenadas y orientación del instrumento después de cada ciclo de lecturas a los prismas de referencia. Es recomendable para zonas donde el instrumento se ubique dentro de la zona de afección siempre que los puntos de orientación se encuentren fuera de este sector.

En caso contrario se debería restablecer las coordenadas de las bases de orientación mediante Sistema GPS cada cierto periodo de tiempo de tal forma que el instrumento periódicamente tome lectura de dichas bases con las coordenadas actualizadas.

Intersección Inversa con prismas de orientación fuera de la superficie de rotura y Intersección Inversa con prismas de orientación dentro de la superficie de rotura

4.3-Levantamiento

Una vez orientado el instrumento se debe tomar lectura de los prismas distribuidos sobre la zona de afección. El primer ciclo de lectura llamado lectura “0” servirá para determinar su localización y en los ciclos sucesivos mediante un sistema de búsqueda basado en la reflectividad de los prismas registrará de nuevo la lectura sobre los objetivos. Posteriormente el instrumento relocalizará y medirá los mismos puntos de control tomados en el primer ciclo de forma totalmente automatizada.

La primera lectura calculará las coordenadas origen que servirán para comparar los datos que se vayan tomando de forma sucesiva. De este modo, si hubiera inestabilidad sobre el talud, las gráficas detectarían el movimiento tomando como partida las primeras lecturas.

Para asegurar que el resultado alcance la precisión nominal del equipo es aconsejable realizar un conjunto de lecturas de un mismo objetivo. De igual modo es altamente aconsejable realizar lecturas en Círculo Directo y en Círculo Inverso -proceso también llamado “Bessel”- calculando su promedio.

Puntos de Levantamiento sobre la superficie del talud

4.4-Ciclos de Orientación y Lectura

Es aconsejable que cada cierto tiempo el instrumento compruebe su orientación o simplemente se reoriente de nuevo. Este hecho es de suma importancia para si queremos detectar posibles anomalías en cuanto a desorientaciones o inestabilidades del terreno en la zona donde se ubique el instrumento.

Para ello, una vez tomados todos los objetivos, se debe establecer los ciclo de orientación y lectura, es decir, el número de veces que el instrumento va a registrar todos los objetivos por cada vez que renueve su orientación.

5-GNSS

El sistema Global de Navegación por Satélite (acrónimo en inglés de GNSS) más conocido como GPS informa de la posición absoluta. Es adecuado para grandes extensiones de control o cuando se debe comprobar si la zona donde se ubica el instrumento y/o algunos de los puntos de orientación se encuentran dentro de la cuña de rotura del talud.

Si así fuera el sistema GNSS informará cada cierto tiempo de las coordenadas absolutas de las bases de referencia. En tal caso, la antena se situaría preferiblemente en la vertical de cada uno de los prismas de orientación y/o en las proximidades del instrumento.

Su precisión nominal aproximada se encuentra en torno a 1 cm en modo Postproceso y 2 cm en Tiempo Real (RTK). A tal efecto el posicionamiento de las antenas de referencia debe situarse lo suficientemente lejos para que su precisión no afecte a la determinación de la orientación del instrumento.

Si el instrumento se ubica dentro de la zona afección las antenas podrán disponerse en:

a) Orientación directa: Se instala una antena GNSS al lado del instrumento y otra en la vertical del prisma de orientación. Las antenas determinarán los movimientos diferenciales del instrumento y el acimut de orientación.

b) Intersección Inversa: Se establecen un conjunto de antenas en la vertical de los prismas de referencia. El instrumento refrescará las coordenadas aportadas por el GPS y después de la lectura de los prismas recalculará su posición y orientación.

Levantamiento combinando ambos sistemes

6-MONITORIZACIÓN DE LOS DATOS

Una vez registradas cada uno de las lecturas se deben enviar de forma remota al terminal de control. El dispositivo que realiza la comunicación entre el instrumento y el centro de control es el SETTOP M1.

SETTOP M1 es un receptor GNSS con control remoto de la Estación Total. Permite gestionar datos GPS al mismo tiempo que realiza el control de la monitorización de la Estación Total a través de diversos puertos de comunicación como:

a) WiFI o WiMAX para grandes extensiones sin cobertura GSM .

b) Cable de red Ethernet.

c) Telefonía GSM.

Es totalmente configurable mediante interfaz web.

Asimismo podrá realizar la doble función de Base/Móvil gracias a la posibilidad de conectar una antena receptora de doble frecuencia. Además, gracias a su concepto multifunción, podrá conectar múltiples sensores como estaciones meteorológicas o sensores geotécnicos.

7-PROGRAMA DE GESTION Y ANALISIS DE DATOS

TRIMBLE 4D CONTROL es el programa de gestión y análisis de datos. Se puede decir que es el auténtico cerebro de todo el proceso de monitoreo. Sin el TRIMBLE 4D CONTROL la auscultación no sería posible.

El software nos permite abrir un trabajo, configurar la geodesia, editar los parámetros de monitorización como la orientación, los prismas a auscultar, los ciclos de repetición, controlar los Instrumentos Topográficos y sensores y luego registrar, calcular, analizar y mostrar el conjunto de datos recibidos.

7.1-Control de los Instrumentos

Antes de iniciar el levantamiento se debe establecer las lecturas que tomará el instrumento o instrumentos que se configuren en el proyecto de auscultación. Una vez establecido los ciclos de lectura TRIMBLE 4D CONTROL enviará las instrucciones correspondientes a los Instrumentos Topográficos para que inicien el levantamiento.

Paralelamente, una vez iniciado el levantamiento, gestionará los datos de los receptores GNSS como también de las estaciones meteorológicas y otros sensores para su posterior cálculo y análisis.

7.2-Base de Datos

El software consta de una Base de Datos que registra y gestiona la ingente cantidad de datos que transmitirá la Estación Total y los receptores GNSS. Esta base de datos se clasificará según un listado con referencias temporales donde se podrán realizar las consultas oportunas.

La base de datos anota sistemáticamente todos los registros posibilitando un análisis rápido, sencillo y estructurado para su uso posterior.

Al ser una base de datos dinámica permite operaciones como actualización, borrado y adición además de las acciones fundamentales de consulta.

7.3-Cálculo de Coordenadas

Una vez registrados los datos se procede al cálculo de las coordenadas. Para ello si los datos se han obtenido con Estación Total el software corregirá las distancias con las variables atmosféricas. De igual modo se aplicarán las correcciones de esfericidad y refracción a los ángulos verticales y si se ha seleccionado una geodesia evaluará los coeficientes de anamorfosis de cada lectura.

Si los datos se han obtenido mediante receptores GNSS se realizará el cambio de Dátum correspondiente y se transformarán las coordenadas a la proyección seleccionada.

7.4-Ánalisis de Datos

Con las coordenadas calculadas sobre la geodesia correspondiente TRIMBLE 4D CONTROL procesará y analizará los datos generando unas gráficas desplazamiento-tiempo para obtener las velocidades vectores de cada uno de los puntos de control. Los resultados se compararán con una previsión de movimientos donde, si es necesario, generará una señal de alarma en el supuesto que excedan de unos límites previamente establecidos según una graduación (verde, ámbar o rojo).

7.5-Consultas

Así mismo, los datos pueden ser consultados por otros terminales donde se visualizarán de forma ágil e intuitiva. Dichos resultados se observarán sobre gráficas de fácil interpretación donde se analizarán los datos diarios, semanales, mensuales e incluso anuales. Se busca, de este modo, obtener una gráfica general de tendencia donde se pueda observar la asíntota de estabilización del terreno y así poder prever la cuasi estabilización del entorno.

Las consultas podrán realizarse vía web server permitiendo observar el proceso desde cualquier terminal que tenga acceso a los datos de la monitorización.

Este tratado técnico versa sobre Sistemas de auscultación de laderas inestables en minería y obra civil. El objetivo principal de una auscultación topográfica es analizar los datos medidos de manera temporal o permanente para ver el comportamiento de una obra o estructura sin afectarla. Al-Top Topografía es distribuidor de soluciones y equipos para auscultación Trimble Monitoring. Si desea más información sobre nuestras soluciones de auscultación, no dude en contactar con nosotros.

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