Sitio de estudio

Se realizó una revisión bibliográfica de deslizamientos en México y en el mundo, para determinar las condiciones necesarias que han generado inestabilidades de suelos. De esta forma, en Almoloya de Juárez (Estado de México) de una zona con seis posibles áreas de trabajo, se eligió una superficie de 4000 m² para la experimentación, cuyas coordenadas son 19° 28´ 07.5” N y 99° 44´22.2” O (Figura 1), en esta se identificaron la mayoría de las características necesarias para reproducir deslizamientos de suelo, tales como presencia de cortes estratigráficos, cambios topográficos, dinámica evolutiva de la cobertura vegetal y microfauna, heterogeneidad de suelos superficiales y subsuperficiales, inestabilidades (derrumbes, deslizamientos y erosiones).

Figura 1: Ubicación del sitio de aplicación experimental, Puente San Bernabé en Almoloya de Juárez, Estado de México 

Muestreo y caracterización de suelo

El número y espaciamiento de muestras de suelo se fijó de tal manera que fueran representativas para la zona radicular y el LSZNS, para lo cual se siguió el criterio de muestreo aleatorio estratificado (^{Walpole et al., 2012}), en el cual se dividió el área total (considerada heterogénea) en subáreas, considerando que fueran lo más homogéneas posibles, según las características observadas en campo. Para la extracción de las muestras de suelo se utilizó un barrenador telescópico AMS-78333 de diámetro 0.082 m, y en cada perforación se midió la profundidad y vertió una cantidad de agua para cuantificar el volumen, con esto se determinó el peso volumétrico (^{Coras, 1989}). En laboratorio se pesaron las muestras (Figura 2a), unas se secaron en horno eléctrico a 110 °C (Figura 2b), y otras a la intemperie para evitar desintegrar la materia orgánica. De lo anterior, se obtuvo el contenido de humedad, densidad, porosidad y lámina de agua equivalente. Se fraccionaron de 600 a 1000 gr para tamizar (Figura 2c), se pesaron los porcentajes de los tamaños de grano (Figura 2d) y se determinó la clase textural (^{USDA, 2004}).

Figura 2: Actividades de laboratorio: a) pesado, b) secado, c) tamizado y d) separación de tamaños 

Diseño de escenarios

Los escenarios se acondicionaron de 2 a 5 días previos a la reproducción de la precipitación. En campo se identificaron cortes transversales del perfil del suelo para reconocimiento del flujo a través del medio poroso. Se delimitaron superficies de 1.0 m², con profundidad variable desde cero hasta un cambio de estrato con una mayor resistencia a la penetración, la cual se midió con el penetrómetro universal. Se buscó que la superficie del suelo y del LSZNS, fuera desde sensiblemente plano hasta 60 ° de inclinación, y que estas dos capas fueron paralelas. Inicialmente se hincaron láminas galvanizadas para delimitar el flujo circundante o para asumir que la zona externa al área de prueba también se encontraba saturada.

Intervalos de precipitación

Se buscaron valores de precipitación asociados a deslizamientos, como los reportados con lluvias de 2 a 4 días (^{Trancoso et al., 2013}; ^{Jaime et al., 2010}; ^{Corominas et al., 2002}; ^{Crosta, 1998}), con acumulación de 300 mm a 844 mm (^{Alcántara et al., 2006}) o de 5 días para 1073 mm (^{Garnica et al., 2010}) u horarias de 384 mm en 4 horas (^{Ho, 2013}). O bien, la presencia de lluvias de 70 mmh^-1 para 2 h, 50 mmh^-1 para 4 h, 40 mmh^-1 para 6 h y 25 mmh^-1 para 12 h (^{Wieczorek y Guzzetti, 1999}). También intensidades entre 11 y 47 mmh^-1 con un máximo cercano a 170 mm en 7 h, o de 28 a 40 mmh^-1 y de 30 a 65 mmh^-1, además precipitaciones previas de 50 mm antes de una de 130 mm y 28 mm antes de 195 mm (^{Crosta, 1998}). Intensidades medias de 50 mmh^-1 (^{Faris y Fawu, 2014}) y altas hasta de 70 mmh^-1 en combinación con otro factor involucrado. Así como intensidades extremas de 213 mmh^-1 (^{González et al., 2002}) o de 300 mmh^-1 para provocar deslizamientos locales en forma natural (^{López et al., 2010a}). Considerando que la acumulación, intensidad y duración de la lluvia son parámetros utilizados para estudios de deslizamientos de suelo (^{Pardeshi et al., 2013}), se tomó en cuenta una combinación de estos más el efecto de la distribución del agua en el medio poroso.

Experimentación del proceso

Para reproducir el proceso de precipitación se utilizó el infiltrómetro de cilindros concéntricos rediseñado multifuncional (ICCRM), el cual permite reproducir una precipitación en función de la intensidad, duración, frecuencias y distribución del agua en el suelo y con ello es posible determinar:

Figura 3: Diagrama del infiltrómetro de cilindros concéntricos rediseñado multifuncional (elaboración propia) 

Lo que muestra una gran ventaja sobre el diseño y metodología tradicional (^{Teófilo y Morales, 2018}). Por lo anterior, la intensidad de la lluvia se reprodujo mediante la aplicación de un gasto en una superficie (Lm^-2 equivalente a m³m^-2 = m), para obtener una lámina de precipitación (h _p ), la cual en el tiempo de prueba fue igual a la intensidad de la lluvia (mmh^-1). Se revisó que la suma vertiente de agua vertical, lateral y superficial fuera igual a la lámina de precipitación deseada para el área total de prueba.

Para evaluar el proceso e identificar las componentes del flujo antes, durante y después del deslizamiento de suelo se consideró utilizar trazadores, como bromuro de potasio y cloruro de potasio (^{Garel et al., 2012}), tinta azul y sal de bromuro (^{Jackisch et al., 2016}), o azul brillante (^{Kobayashi y Shimizu, 2007}). Se optó por utilizar trazadores alimenticios, azul o negro para el área intermedia, rojo para la interior y verde para la exterior (Figura 3) a razón de 3 gL^-1 para un volumen de 200L.

Las experimentaciones se realizaron combinando los principales factores asociados (Tabla 1): grado de inclinación, con y sin presencia de raíz de la vegetación y macroporos, ya que eventualmente estos factores minimizan el riesgo de los deslizamientos superficiales (^{Switala y Wu, 2015}). Dentro del sitio se ubicaron puntos con baja resistencia a la penetración como un indicativo del nivel de compactación del suelo (^{CIMMYT, 2013}), la cual se asoció a una reducida densidad natural que representaría el caso más favorable para producir un deslizamiento de suelo.

Adicionalmente, se construyó una retícula con ejes de 5 cm por 5 cm, para visualizar en detalle los cambios de movimiento del suelo a partir de una referencia física. También se construyó una sección semicircular de tubo de PVC de 10 cm de diámetro con un flujómetro para encauzar el escurrimiento.

Medición de la infiltración in situ

Debido a que las tasas de infiltración vertical y lateral siguen un patrón de comportamiento diferente para diferentes tipos de suelo (^{Teófilo, 2015}; ²⁰¹⁰), se revisaron las intensidades de precipitación reproducidas y los descensos del agua dentro de los cilindros. Cuando los valores se mantuvieron constantes o cercanos a cero, se realizó una distribución en el tiempo de la forma:

Así, se determinó la lámina infiltrada (h _i ) para cada lapso de tiempo (∆t), h _i+1 lámina de agua en el tiempo t _i+1 , h _j lámina de agua registrada en el tiempo t _j y Δt _i+1 el incremento de tiempo. Posteriormente, se aplicó el ajuste del modelo de Kostiakov, ya que se ajusta muy bien a datos experimentales de campo (^{Becerril, 2010}), para estimar la tasa de infiltración f mediante:

Para t ≠ 0, α > 0 y -1 < β < 0. La infiltración acumulada F se obtuvo con

Aplicando logaritmos para linealizarla, y determinar los parámetros α y β, quedó reducida en la ecuación de la recta

Donde m es la pendiente, obtenida con:

Así, y es la ordenada, x la abscisa y α es la intercepción con el eje y, obtenida con

Donde n es número de eventos. Este procedimiento se aplicó para: a) el área del cilindro interior (0.0764 m²), b) área intermedia entre los dos cilindros (0.0867 m²) y c) el área de influencia para el flujo superficial fuera de los cilindros (0.1662 m² a 0.6361 m²).

Muestreos de suelo y diseño de escenarios

El diseño de los escenarios se modificó conforme se avanzó en la investigación, inicialmente la vegetación fue escasa (abril del 2016), pero aumentó en la época de lluvias. Los primeros 0.15 m de profundidad presentaron una compleja y densa distribución radicular en todas las direcciones, con diámetros máximos de 6 mm. A mayor profundidad se apreciaron macroporos con desarrollo de microfauna, lo cual dio lugar a pequeñas tubificaciones.

Respecto a la caracterización de las muestras de suelo de la zona radicular (Tabla 2), la mayor densidad se obtuvo en el muestreo 2 con 1.40 gcm^-3 para una superficie sensiblemente plana, y el valor más bajo para el muestreo 9 con 0.77 gcm^-3 para 30° de inclinación. El contenido de humedad mínimo fue de 7.43% y el máximo de 20.68%. La porosidad mínima de 7.46% con una lámina de agua equivalente de 33.57 mm y la máxima lámina de agua equivalente fue de 102.19 mm y correspondió a las experimentaciones 4, 5 y 6 realizadas en época de lluvias.

Para el LSZNS (Tabla 3), la densidad fue 80% mayor comparada con la de la zona radicular (Tabla 2), reflejando menor permeabilidad y en consecuencia un plano de falla. El muestreo 4 registró el contenido de humedad máximo de 53.75% y de 34.96 mm de lámina de agua equivalente, (septiembre 2016). La clasificación textural, fue arenoso franco y franco arcillo arenoso para la zona radicular, y arena en el LSZNS, lo cual se reflejó en una alta porosidad comparada con la de la zona radicular, sin embargo, a pesar de una buena porosidad, no todos los poros están conectados unos con otros, lo que dificulta el tránsito de agua a capas más profundas, que es concordante con ^{Pogosyan et al. (2016)} quien ha analizado suelos con el uso de tomografía de rayos X.

Es importante mencionar que no se empleó el método de coeficiente de fricción mecánica asociado al factor de seguridad, ya que este genera un valor cuantitativo y el enfoque de la investigación requirió de parámetros cualitativos para la revisión del proceso del deslizamiento del suelo por flujo de agua.

Intervalos de precipitación

En México existe poca información respecto al proceso lluvia-deslizamiento, por tal motivo no se encontró información que mostrara la relación entre las fluctuaciones de la precipitación en intensidad, frecuencia, duración y distribución en el proceso de deslizamiento de suelo. De esta manera, con los datos recabados se construyó la Figura 4, la cual muestra cómo fluctúan los rangos de lluvia. Con esta figura se fundamentaron los valores para reproducir el deslizamiento superficial de suelo, es decir, con base en el tiempo se agruparon intensidades extremas horarias, intensidades medias constantes e intensidades para diferentes lapsos de tiempo (2 h, 4 h, 6 h, 12 h, 24 h, 36 h, 48 h, 72 h, 96 h, 120 h), así como el acumulado de lluvia (1 h, 2 h, 4 h, 6 h, 7 h, 12 h, 24 h, 36 h, 48 h, 72 h , 96 h, 120 h), y precipitaciones de acumulación previa con una consecutiva acumulación superior de lluvia. Por lo que el nomograma de la Figura 4 muestra como altas intensidades de lluvia son de corta duración y el acumulado es función del tiempo.

Figura 4: Fluctuaciones: intensidad-duración, intervalos de intensidad, intensidad extrema y constante, precipitaciones acumuladas previas y consecutivas para generar inestabilidad del suelo (elaboración propia a partir de datos de ^{Crosta, 1998}; ^{Wieczorek y Guzzetti, 1999}; ^{González et al., 2002}; ^{Alcántara et al., 2006}; ^{Garnica et al., 2010}; ^{López et al., 2010a}; ^{Ho, 2013 Faris y Fawu, 2014}) 

Experimentación in situ del deslizamiento superficial de suelo

En la Tabla 4 se muestra la duración, intensidad de precipitación, con el espesor radicular de prueba, y los estados resultantes:

La duración mínima de experimentación fue de 0.86 h con una intensidad de 195 mmh^-1, la máxima fue de 4.41 h con una intensidad de 80 mmh^-1, ambos casos con 35 ° de inclinación. La intensidad máxima fue de 384 mmh^-1 para una duración de 1.06 h con 45 ° de inclinación. En todos los experimentos el espesor radicular osciló de 0.36 m a 0.55 m, valores que se encontraron dentro del rango para generar un flujo de agua en los primeros 0.70 m de profundidad (^{Hardie et al., 2013}).

La cobertura vegetal minimizó el escurrimiento, por tal, se presentó mayor infiltración en el área exterior. El enraizamiento y la microfauna, favorecieron el desarrollo de macroporos, lo cual ocasionó la presencia de tubificaciones por donde eventualmente se liberó la presión del agua en el suelo. Estos factores principalmente fueron los que controlaron el deslizamiento superficial (experimentos 1 al 8).

En los experimentos sin cobertura vegetal, resistencia a la penetración de media a baja y 30° de inclinación (Tabla 1 y 4), se observó que los flujos vertical y lateral fueron mayores al superficial con intensidad de precipitación de 91 mmh^-1 para el experimento 9 y de 95 mmh^-1 para la 10 y 11, así, debido al proceso escurrimiento-infiltración el flujo subsuperficial lateral apareció primero en el corte del perfil del suelo antes de que predominara el escurrimiento superficial. Para el experimento 12 con 60 ° de inclinación y densidad de 0.99 gcm^-3, el escurrimiento fue de 20% con intensidad de precipitación de 101 mmh^-1, lo cual generó arrastre de material fino sobre la superficie del talud (erosión hídrica), con ello la aparición de trayectorias de flujo superficial.

En los experimentos 13, 14 y 16 con la densidad más baja, sin enraizamiento, con macroporos y con 30 °, 45 ° y 60 ° de inclinación (Tabla 1 y 4), se identificó un escurrimiento-infiltración superficial (Figura 5a), paralelamente se presentó erosión hídrica (Figura 5b), y al aumentar el peso del suelo por la presencia de agua se generaron grietas transversales en la parte superficial (Figura 5c). Conforme aumentó el tiempo, se manifestaron grietas radiales de hasta 2 cm de abertura aguas debajo de la fuente de suministro (Figura 5d). Consecutivamente el escurrimiento superficial desapareció, lo que generó la movilización de la masa de suelo sobre el LSZNS (Figuras 5e y f).

Figura5: Proceso de deslizamiento superficial de suelo; a) escurrimiento-infiltración, b) erosión hídrica, c) grietas transversales por aumento de peso, d) grietas radiales y ausencia de escurrimiento, e) deslizamiento superficial y f) liberación del flujo sobre el LSZNS 

La Tabla 5 muestra los rangos de lámina de agua equivalente que la masa de suelo retuvo antes de deslizar. Los datos indican que a mayor duración de la prueba menor intensidad promedio de precipitación, y altas intensidades en periodos de corta duración, lo que genera mayor inestabilidad del suelo (^{Chen y Tang, 2010}; ^{Corominas et al., 2002}).

Con los datos de las Tablas 4 y 5, con 30 ° de inclinación y lámina de agua equivalente retenida de 90.39 mm comprueba que influyó más el efecto de la baja densidad del suelo. Al aumentar la densidad 14% más e inclinación de 60 ° la retención aumentó a 111.38 mm, reflejando mayor influencia del ángulo de inclinación.

Comportamiento de la infiltración

El agua fuera de los cilindros (superficial) se infiltró sin restricción alguna, por lo que la intensidad de vertida sobre el suelo fue igual a la tasa de infiltración superficial, es decir, la infiltración superficial fue igual a lo que drenó la capa evaporante (los primeros 15 cm de suelo).

En la Figura 6 se agrupan 4 gráficos para poder comparar las variaciones de los valores de la tasa de infiltración, donde: con cobertura vegetal, enraizamiento, macroporos y densidad de 1.3 a 1.4 gm^-3, inclinación superficial de 2 ° e intensidades de precipitación de 22 a 63 mmh^-1, la tasa de infiltración máxima fue de 696 mmh^-1 y la mínima de 87 mmh^-1 (Figura 6a), así, la intensidad de precipitación no superó la tasa mínima de infiltración, por lo que no existió presión de agua suficiente en la masa de suelo para generar el deslizamiento. Con vegetación, raíces, macroporos, 35 °grados de inclinación y densidad de 0.92 a 0.96 gcm^-3 e intensidades de precipitación de 80 mmh^-1 a 318 mmh^-1 la tasa de infiltración máxima fue de 4220 mmh^-1 y la mínima de 35 mmh^-1 (Figura 6b), tal que macroporos y tubificaciones permitieron drenar constantemente el agua vertida desde la superficie, lo cual ocasionó flujos preferenciales.

Figura 6: Tasa de infiltración de los experimentos (prb = experimento 1, 2, 3, …) según diseño de escenarios del periodo abril 2016 - febrero 2017 

En escenarios sin cobertura vegetal, con macroporos, densidad de 0.92 gcm^-3 a 0.99 gcm^-3 con 30 ° y 60 ° de inclinación e intensidades de precipitación de 91 mmh^-1 a 101 mmh^-1, la tasa de infiltración máxima fue de 5300 mmh^-1 y la mínima fue de 0.07 mmh^-1 (Figura 6c), por lo que inicialmente el agua fluyó a través de la masa de suelo, pero conforme aumentó la duración de la prueba se superó la capacidad mínima de infiltración, así el flujo vertical fue inmovilizado por el lateral. Posteriormente, el flujo superficial predominó, lo que generó arrastre de material fino sobre la superficie expuesta (Figura 5b).

Para escenarios con densidad de 0.77 gcm^-3 a 0.88 gcm^-3, sin vegetación, pero con macroporos y de inclinación 30 °, 45 ° y 60 ° e intensidades de precipitación de 65 mmh^-1 a 384 mmh^-1, la tasa máxima fue de 7280 mmh^-1 y se redujo hasta 6.9 mmh^-1 (Figura 6d), por lo que se inmovilizó el flujo vertical y predominó el flujo lateral. Por lo tanto, cuando las intensidades de precipitación fueron mayores a la tasa de infiltración mínima se generó inestabilidad de la masa de suelo (Figura 5), de esta forma el conjunto de gráficos de la Figura 6 permite comparar fácilmente los parámetros involucrados en el proceso de experimentación del deslizamiento del suelo por flujo de agua.