Modelización de costas rocosas acantiladas

El retroceso de las costas acantiladas es un fenómeno muy extendido sobre los litorales rocosos expuestos a la incidencia combinada de los procesos marinos y meteorológicos que se dan en la franja costera. Este fenómeno se revela violentamente como movimientos gravitacionales del terreno esporádicos, pudiendo causar pérdidas materiales y/o humanas. Aunque el conocimiento de estos riesgos de erosión resulta de vital importancia para la correcta gestión de la costa, el desarrollo de modelos predictivos se encuentra limitado desde el punto de vista geomorfológico debido a la complejidad e interacción de los procesos de desarrollo espacio-temporal que tienen lugar en la zona costera. Los modelos de predicción publicados son escasos y con importantes inconvenientes: a) extrapolación, extienden la información de registros históricos; b) empíricos, sobre registros históricos estudian la respuesta al cambio de un parámetro; c) estocásticos, determinan la cadencia y magnitud de los eventos futuros extrapolando las distribuciones de probabilidad extraídas de catálogos históricos; d) proceso-respuesta, de estabilidad y propagación del error inexplorada; e) en Ecuaciones en Derivadas Parciales, computacionalmente costosos y poco exactos. La primera parte de esta tesis detalla las principales características de los modelos más recientes de cada tipo y, para los más habitualmente utilizados, se indican sus rangos de aplicación, ventajas e inconvenientes. Finalmente como síntesis de los procesos más relevantes que contemplan los modelos revisados, se presenta un diagrama conceptual de la recesión costera, donde se recogen los procesos más influyentes que deben ser tenidos en cuenta, a la hora de utilizar o crear un modelo de recesión costera con el objetivo de evaluar la peligrosidad (tiempo/frecuencia) del fenómeno a medio-corto plazo. En esta tesis se desarrolla un modelo de proceso-respuesta de retroceso de acantilados costeros que incorpora el comportamiento geomecánico de materiales cuya resistencia a compresión no supere los 5 MPa. El modelo simula la evolución espaciotemporal de un perfil-2D del acantilado que puede estar formado por materiales heterogéneos. Para ello, se acoplan la dinámica marina: nivel medio del mar, cambios en el nivel medio del lago, mareas y oleaje; con la evolución del terreno: erosión, desprendimiento rocoso y formación de talud de derrubios. El modelo en sus diferentes variantes es capaz de incluir el análisis de la estabilidad geomecánica de los materiales, el efecto de los derrubios presentes al pie del acantilado, el efecto del agua subterránea, la playa, el run-up, cambios en el nivel medio del mar o cambios (estacionales o interanuales) en el nivel medio de la masa de agua (lagos). Se ha estudiado el error de discretización del modelo y su propagación en el tiempo a partir de las soluciones exactas para los dos primeros periodos de marea para diferentes aproximaciones numéricas tanto en tiempo como en espacio. Los resultados obtenidos han permitido justificar las elecciones que minimizan el error y los métodos de aproximación más adecuados para su posterior uso en la modelización. El modelo ha sido validado frente a datos reales en la costa de Holderness, Yorkshire, Reino Unido; y en la costa norte del lago Erie, Ontario, Canadá. Los resultados obtenidos presentan un importante avance en los modelos de recesión costera, especialmente en su relación con las condiciones geomecánicas del medio, la influencia del agua subterránea, la verticalización de los perfiles rocosos y su respuesta ante condiciones variables producidas por el cambio climático (por ejemplo, nivel medio del mar, cambios en los niveles de lago, etc.). The recession of coastal cliffs is a widespread phenomenon on the rocky shores that are exposed to the combined incidence of marine and meteorological processes that occur in the shoreline. This phenomenon is revealed violently and occasionally, as gravitational movements of the ground and can cause material or human losses. Although knowledge of the risks of erosion is vital for the proper management of the coast, the development of cliff erosion predictive models is limited by the complex interactions between environmental processes and material properties over a range of temporal and spatial scales. Published prediction models are scarce and present important drawbacks: extrapolation, that extend historical records to the future; empirical, that based on historical records studies the system response against the change in one parameter; stochastic, that represent of cliff behaviour based on assumptions regarding the magnitude and frequency of events in a probabilistic framework based on historical records; process-response, stability and error propagation unexplored; PDE´s, highly computationally expensive and not very accurate. The first part of this thesis describes the main features of the latest models of each type and, for the most commonly used, their ranges of application, advantages and disadvantages are given. Finally as a synthesis of the most relevant processes that include the revised models, a conceptual diagram of coastal recession is presented. This conceptual model includes the most influential processes that must be taken into account when using or creating a model of coastal recession to evaluate the dangerousness (time/frequency) of the phenomenon to medium-short term. A new process-response coastal recession model developed in this thesis has been designed to incorporate the behavioural and mechanical characteristics of coastal cliffs which are composed of with materials whose compressive strength is less than 5 MPa. The model simulates the spatial and temporal evolution of a cliff-2D profile that can consist of heterogeneous materials. To do so, marine dynamics: mean sea level, waves, tides, lake seasonal changes; is coupled with the evolution of land recession: erosion, cliff face failure and associated protective colluvial wedge. The model in its different variants can include analysis of material geomechanical stability, the effect of debris present at the cliff foot, groundwater effects, beach and run-up effects, changes in the mean sea level or changes (seasonal or inter-annual) in the mean lake level. Computational implementation and study of different numerical resolution techniques, in both time and space approximations, and the produced errors are exposed and analysed for the first two tidal periods. The results obtained in the errors analysis allow us to operate the model with a configuration that minimizes the error of the approximation methods. The model is validated through profile evolution assessment at various locations of coastline retreat on the Holderness Coast, Yorkshire, UK and on the north coast of Lake Erie, Ontario, Canada. The results represent an important stepforward in linking material properties to the processes of cliff recession, in considering the effect of groundwater charge and the slope oversteeping and their response to changing conditions caused by climate change (i.e. sea level, changes in lakes levels, etc.).

Modelo proceso-respuesta de recesión de acantilados por variación del nivel del mar. Aplicación en la Costa de Holderness (Reino Unido).

El desarrollo de modelos predictivos de retroceso de acantilados costeros se encuentra limitado desde el punto de vista geomorfológico debido a la complejidad e interacción de los procesos de desarrollo espacio-temporal que tienen lugar en la zona costera. Los códigos de cálculo existentes en la actualidad incorporan modelos probabilísticos para resolver la estabilidad geomecánica de los materiales. Éstos pueden reproducir tasas de recesión históricas; sin embargo, el comportamiento bajo condiciones variables (cambio climático) no tiene por qué ser el mismo. Se presenta un modelo de proceso-respuesta de retroceso de acantilados costeros que incorpora el comportamiento geomecánico de costas compuestas por tills, incluye la acción protectora de los derrubios presentes al pie del acantilado frente a los procesos erosivos y permite evaluar el efecto del ascenso del nivel medio del mar asociado al cambio climático. Para ello, se acoplan la dinámica marina: nivel medio del mar, mareas y oleaje; con la evolución del terreno: erosión, desprendimiento rocoso y formación de talud de derrubios. La erosión del acantilado se calcula en función del nivel del mar, de las condiciones del oleaje incidente, de la pendiente de la plataforma rocosa y de la resistencia del material rocoso afectado en cada ciclo de marea. Al finalizar cada ciclo, se evalúa la ruptura del acantilado según un criterio geomecánico de roturas por vuelco y en caso de rotura, se genera un talud de derrubios al pie del mismo. El modelo ha sido validado frente a datos reales en la costa de Holderness, Yorkshire, Reino Unido. Los resultados obtenidos presentan un importante avance en los modelos de recesión costera, especialmente en su relación con las condiciones geomecánicas del medio y su respuesta ante condiciones variables del nivel medio del mar producidas por el cambio climático.

Túneles en macizos calcáreos karstificados: impacto en las obras subterráneas de los fenómenos kársticos, su evaluación y tratamiento

En esta Tesis Doctoral se aborda un tema poco estudiado en el ámbito de los túneles y cuya problemática está basada en los riesgos e incertidumbres que representa el diseño y ejecución de túneles en macizos calizos karstificados. Mediante un estudio profundo del comportamiento de distintos casos reales de túneles en macizos kársticos calizos, aportando la realización de modelos y la experiencia constructiva del autor, se pretende proponer un procedimiento que permita sistematizar las actuaciones, investigación, evaluación y tratamiento en los túneles en karst, como herramienta básica para la toma de decisiones primarias correctas. Además, se proponen herramientas que pueden ayudar a mejorar el diseño y a decidir las medidas más eficientes para afrontar los problemas que genera el karst en los túneles, minimizando los riesgos para todos los actores, su probabilidad e impacto. Se profundiza en tres fases principales (que son referidas en la tesis en cuatro Partes): La INVESTIGACIÓN del macizo rocoso: La investigación engloba todas las actuaciones observacionales encaminadas a obtener el IK (Índice de Karstificación), así como las investigaciones necesarias mediante recopilación de datos superficiales, hidrogeológicos, climáticos, topográficos, así como los datos de investigaciones geofísicas, fotointerpretación, sondeos y ensayos geotécnicos que sean posibles. Mediante la misma, se debe alcanzar un conocimiento suficiente para llevar a cabo la determinación de la Caracterización geomecánica básica del macizo rocoso a distintas profundidades, la determinación del Modelo o modo de karstificación del macizo rocoso respecto al túnel y la Zonificación del índice de karstificación en el ámbito de actuación en el que se implantará el túnel. En esta primera fase es necesaria la correcta Definición geométrica y trazado de la obra subterránea: En función de las necesidades que plantee el proyecto y de los condicionantes externos de la infraestructura, se deben establecer los requisitos mínimos de gálibo necesarios, así como las condiciones de máximas pendientes para el trazado en alzado y los radios mínimos de las curvas en planta, en función del procedimiento constructivo y motivación de construcción del túnel (ferrocarril, carretera o hidráulico, etc...). Estas son decisiones estratégicas o primerias para las que se ha de contar con un criterio y datos adecuados. En esta fase, son importantes las decisiones en cuanto a las monteras o profundidades relativas a la karstificación dominante e investigación de las tensiones naturales del macizo, tectónica, así como las dimensiones del túnel en función de las cavidades previstas, tratamientos, proceso de excavación y explotación. En esta decisión se debe definir, conocida ya de forma parcial la geotecnia básica, el procedimiento de excavación en función de las longitudes del túnel y la clasificación geomecánica del terreno, así como sus monteras mínimas, accesos y condicionantes medioambientales, pero también en función de la hidrogeología. Se establecerá la afección esperable en el túnel, identificando en la sectorización del túnel, la afección esperable de forma general para las secciones pésimas del túnel. Con todos estos datos, en esta primera aproximación, es posible realizar el inventario de casos posibles a lo largo del trazado, para poder, posteriormente, minimizar el número de casos con mayores riesgos (técnicos, temporales o económicos) que requieran de tratamiento. Para la fase de EVALUACIÓN de la matriz de casos posibles en función del trazado inicial escogido (que puede estar ya impuesto por el proyecto, si no se ha podido intervenir en dicha fase), es necesario valorar el comportamiento teórico del túnel en toda su longitud, estudiando las secciones concretas según el tipo y el modo de afección (CASOS) y todo ello en función de los resultados de los estudios realizados en otros túneles. Se debe evaluar el riesgo para cada uno de los casos en función de las longitudes de túnel que se esperan que sean afectadas y el proceso constructivo y de excavación que se vaya a adoptar, a veces varios. Es importante tener en cuenta la existencia o no de agua o relleno arcilloso o incluso heterogéneo en las cavidades, ya que los riesgos se multiplican, así mismo se tendrá en cuenta la estabilidad del frente y del perímetro del túnel. En esta segunda fase se concluirá una nueva matriz con los resultados de los riesgos para cada uno de los casos que se presentarán en el túnel estudiado. El TRATAMIENTO, que se debe proponer al mismo tiempo que una serie de actuaciones para cada uno de los casos (combinación de tipos y modos de afección), debiendo evaluar la eficacia y eficiencia, es decir la relevancia técnica y económica, y como se pueden optimizar los tratamientos. Si la tabla de riesgos que se debe generar de nuevo introduciendo los factores técnicos y económicos no resulta aceptable, será necesaria la reconsideración de los parámetros determinados en fases anteriores. Todo el desarrollo de estas tres etapas se ha recogido en 4 partes, en la primera parte se establece un método de estudio e interpretativo de las investigaciones superficiales y geotécnicas, denominado índice de karstificación. En la segunda parte, se estudia la afección a las obras subterráneas, modelos y tipos de afección, desde un punto de vista teórico. La tercera parte trata de una recopilación de casos reales y las consecuencias extraídas de ellos. Y finalmente, la cuarta parte establece los tratamientos y actuaciones para el diseño y ejecución de túneles en macizos kársticos calizos. Las novedades más importantes que presenta este trabajo son: El estudio de los casos de túneles realizados en karst calizo. Propuesta de los tratamientos más efectivos en casos generales. La evaluación de riesgos en función de las tipologías de túnel y afecciones en casos generales. La propuesta de investigación superficial mediante el índice de karstificación observacional. La evaluación mediante modelos del comportamiento teórico de los túneles en karst para casos muy generales de la influencia de la forma, profundidad y desarrollo de la karstificación. In this doctoral thesis is studied the recommended investigation, evaluation and treatment when a tunnel is planed and constructed in karstic calcareous rock masses. Calcareous rock masses were selected only because the slow disolution produces stable conduct and caves instead the problems of sudden disolutions. Karstification index (IK) that encompasses various aspects of research karstic rock mass is presented. The karst rock masses are all unique and there are no similarities between them in size or density cavities ducts, but both their formation mechanisms, like, geological and hydrogeological geomorphological evidence allow us, through a geomechanical survey and geological-photo interpretation in the surface, establish a karst evaluation index specific for tunnelling, which allows us to set a ranking of the intensity of karstification and the associated stadistic to find caves and its risk in tunnelling. This index is estimated and useful for decision-making and evaluation of measures to be considered in the design of a tunnel and is set in degrees from 0 to 100, with similar to the RMR degrees. The sectorization of the tunnel section and the types of condition proposed in this thesis, are estimated also useful to understand the different effects that interception of ducts and cavities may have in the tunnel during construction and service life. Simplified calculations using two-dimensional models contained in the thesis, have been done to establish the relationship between the position of the cavities relative to the section of the tunnel and its size in relation to the safety factors for each ground conditions, cover and natural stresses. Study of over 100 cases of tunnels that have intercepted cavities or karst conduits have been used in this thesis and the list of risks found in these tunnels have been related as well. The most common and effective treatments are listed and finally associated to the models and type of affection generated to give the proper tool to help in the critical decision when the tunnels intercept cavities. Some existing studies from Marinos have been considered for this document. The structure of the thesis is mainly divided 4 parts included in 3 steps: The investigation, the evaluation and the treatments, which match with the main steps needed for the critical decisions to be made during the design and construction of tunnels in karstic rockmasses, very important to get a successfully project done.

Ingeniería Geológica en Terrenos Volcánicos. Métodos, Técnicas y Experiencias en las Islas Canarias

La presente obra es un compendio de conceptos, metodologías y técnicas útiles para acometer proyectos y obras en terrenos volcánicos desde el punto de vista de la ingeniería geológica y la geotecnia. El libro se presenta en tres partes diferenciadas. La primera es conceptual y metodológica, con capítulos que tratan sobre la clasificación de las rocas volcánicas con fines geotécnicos, la caracterización geomecánica, los problemas geotécnicos y constructivos asociados a los distintos materiales, y una guía metodológica para la redacción de informes geotécnicos para la edificación. La segunda parte aborda las aplicaciones a obras de ingeniería, incluyendo deslizamientos, obras subterráneas,infraestructuras marítimas y obras públicas. La tercera parte recoge capítulos dedicados a describir distintos casos prácticos de obras y proyectos en los que la problemática geotécnica en terrenos volcánicos ha tenido un papel relevante. Los capítulos han sido elaborados por técnicos y científicos de reconocido prestigio en el campo de la ingeniería geológica en terrenos volcánicos, que han plasmado en ellos sus conocimientos y experiencias en la materia.Los editores y autores de parte de los capítulos del libro, los Doctores Luis E. Hernández Gutiérrez (Geólogo) y Juan Carlos Santamarta Cerezal (Ingeniero de Montes, Civil y Minas), son los responsables del grupo de investigación INGENIA (Ingeniería Geológica, Innovación y Aguas). Su actividad investigadora comprende más de 200 publicaciones en el área de la ingeniería geológica, la geotecnia, medio ambiente y el aprovechamiento del agua en islas y terrenos volcánicos. En relación a la docencia han impartido y dirigido más de 90 seminarios y cursos de especialización a nivel nacional e internacional, incluyendo la organización de 4 congresos internacionales. Fueron premiados por la Universidad de La Laguna en los años 2012, 2013 y 2014 por su calidad docente e innovación universitaria, y son pioneros en los laboratorios virtuales para la enseñanza de la ingeniería. Participan activamente como profesores colaboradores e investigadores en varias universidades e instituciones españolas e internacionales. Todas sus publicaciones están disponibles en internet, con libre acceso. Ingeniería geológica en terrenos volcánicos, es una obra de gran interés para, consultores, técnicos de administraciones públicas, proyectistas y demás profesionales implicados en obras y proyectos de infraestructuras en terrenos volcánicos; también es útil para académicos y estudiantes de ingeniería o ciencias geológicas que quieran investigar o iniciarse en las singularidades que presentan los materiales volcánicos en la edificación o en la ingeniería civil y minera.