Caracterización de movimientos en masa

Definición

Los movimientos en masa son el producto de diversos elementos, donde la configuración morfológica y evolución de las laderas juegan un papel determinante (Hutchinson [1988]). La definición más simple y ampliamente aceptada es la dada por Cruden and Varnes [1996], quienes definen el término como el movimiento de una masa de roca, escombros o tierra a lo largo de una ladera. Bajo esta definición existe una gran variedad de movimientos en masa. Algunos son lentos, pequeños e imperceptibles, en tanto otros involucran grandes volúmenes de material y alcanzan altas velocidades con una gran poder destructivo. En tanto, Scheidegger [1998] interpreta los deslizamientos como modificaciones del terreno dentro del ciclo geomorfológico continuo, y que corresponden a la respuesta normal del sistema debido a complejos parámetros exogénicos (meteóricos) y endogénicos (tectónicos).

Fig. 2 Descripción conceptual de la morfología de un deslizamiento rotacional. Tomado de Glade and Crozier [2005].

Los movimientos en masa son el producto del debilitamiento progresivo de las propiedades mecánicas de los materiales de las vertientes por procesos naturales tales como meteorización, levantamientos tectónicos y actividades humanas que activan movimientos lentos, generalmente imperceptibles (Soeters and van Westen [1996], Glade and Crozier [2005]), sin embargo, un solo factor, comúnmente la precipitación o un sismo, es considerado como el estímulo externo que puede generar una respuesta casi inmediata de movilizar los materiales que conforman la ladera, sea por el rápido incremento de los esfuerzos o por la reducción de la resistencia (Wang et al. [2002]).

Fig. 3 Reducción de las condiciones de estabilidad. Tomado de Popescu [1994].

De esta forma los factores que controlan la ocurrencia y distribución de los movimientos en masa pueden dividirse en dos categorías: las variables cuasi-estáticas o condicionantes y las variables dinámicas o detonantes. Las variables cuasi-estáticas, tales como las propiedades de los suelos, la topografía contribuyen a la susceptibilidad de las vertientes y definen la distribución espacial de los movimientos en masa. En tanto, las variables dinámicas, tales como el grado de saturación del suelo y la cohesión controlan los factores detonantes de laderas susceptibles. La climatología, los procesos hidrológicos, y las actividades humanas controlan a su vez las variables dinámicas, y caracterizan el patrón temporal de los movimientos en masa (Crosta and Frattini [2003]).

Fig. 4 Evolución de los movimientos en masa. Tomado de Glade and Crozier [2005].

Clasificación

La base de datos de desastres (EM-DAT) del Centro de Investigaciones en Epidemiología y Desastres (CRED por sus siglas en inglés) clasifica los desastres por fenómenos de origen natural en biológicos, geofísicos e hidrometeorológicos. Entre los geofísicos se encuentran los sismos, volcanes, y movimientos en masa secos (caída de rocas, deslizamientos, avalancha y subsidencia). Por su parte los eventos hidrometeorológicos se subdividen en hidrológicos, meteorológicos y climatológicos. Dentro del subgrupo de hidrológicos se encuentran los movimientos en masa con agua.

Fig. 5 Clasificacion de desastres por fenómenos de origen natural. Tomado de EM-DAT.

La clasificación de movimientos en masa más ampliamente conocida y aceptada es propuesta por Varnes [1978] y actualizada por Cruden and Varnes [1996]. Estos autores emplean como criterio principal para la clasificación, el tipo de movimiento y el tipo de material. Los tipos de movimientos definidos por estos autores son caídas, volcamientos, deslizamientos, flujos, y propagación lateral. En tanto los materiales los dividen en suelo y roca. Una gran complejidad de movimientos puede surgir de la combinación de estos criterios sencillos. Esta clasificación clásica se ha matizado con criterios complementarios propuestos por otros autores: el concepto de cabeceo (Corominas, 1989) describe la transición en la que un volcamiento flexural del macizo rocoso (una deformación dúctil a gran escala) desarrolla un plano de ruptura a lo largo de su superficie de bisagra, transformándose finalmente en un deslizamiento rotacional; también se han incorporado tipologías especiales como los represamientos naturales por movimientos en masa (Costa y Schuster, 1988) y los colapsos (Chacón, 2008), definidos como deformaciones donde se combina el deslizamiento inicial con un descenso eminentemente vertical de bloques sin el control estricto de discontinuidades.

La frecuencia relativa de estos mecanismos varía sustancialmente según las condiciones geológicas, climáticas y de relieve de cada región. En Colombia, a nivel nacional predominan los deslizamientos (planares y rotacionales) y las caídas de rocas; de forma general, los deslizamientos y los flujos son los movimientos más frecuentes en laderas conformadas por suelos o regolitos, mientras que las caídas y los volcamientos dominan en las laderas constituidas por macizos rocosos. El inventario histórico de movimientos en masa en Colombia (1900-2016) muestra que el 93% de todos los eventos registrados se concentran en la región andina, la cual representa apenas el 33% del territorio nacional; en municipios de laderas de alta pendiente sobre la vertiente andina tropical, como La Estrella (Antioquia), predominan los deslizamientos rotacionales y los flujos, estos últimos correspondientes a lo que localmente se denomina avenidas torrenciales.

Fig. 6 Clasificacion de movimientos en masa de acuerdo con Varnes & Cruden (1996).

Los movimientos en masa más comunes en laderas en suelo son los deslizamientos y flujos. A diferencia de los flujos, los deslizamientos presentan superficie de falla; cuando esta superficie es curva y cóncava se denominan deslizamientos rotacionales y ocurren frecuentemente en suelos finos y homogéneos, mientras que cuando la superficie de falla es plana se denominan deslizamientos translacionales o planares, los cuales son generalmente superficiales y suelen estar controlados por discontinuidades como diaclasas, foliación o planos de depositación. En algunos casos la superficie de ruptura puede estar formada por dos discontinuidades, lo que genera que el deslizamiento se presente en la dirección de la línea de intersección formando una cuña, razón por la cual reciben este nombre.

Fig. 7 Deslizamiento rotacional en Cecil Lake Peace river (Canada). Foto de R. Couture (GSC) tomada de nrcan

De acuerdo con Cruden and Varnes [1996] los flujos corresponden a la deformación progresiva del material que conforma la ladera. Para el caso de laderas en suelo, donde son más comunes, se pueden generar por el deslizamiento inicial de suelos con un alto contenido de agua, y que pierde rápidamente la resistencia al cortante y se transforma en una mezcla heterogénea de agua y sedimentos donde su comportamiento o reología es función de la proporción agua/sedimentos y de la granulometría.

Fig. 8 Flujo en San Antonio de Prado, sector Santa Rita, municipio de Medellín-Colombia, jun/2022.

Coussot and Meunier [1996] utilizan la siguiente clasificación, donde contenidos en proporción de agua muy alto se transforman de flujos de escombros a flujos hiperconcentrados, cuando los materiales son finos se presentan flujos de una fase, donde el agua y los sedimentos viajan a la misma velocidad, y cuando los materiales son granulares se presentan flujos de dos fases, donde el agua viaja a velocidades más altas que los materiales sólidos.

Fig. 9 Clasificación de flujos de acuerdo con Coussot and Meunier [1996].

Estos flujos pueden desplazarse simplemente sobre las laderas, o propagarse por largas distancias a lo largo de cauces estrechos, hasta alcanzar valles abiertos donde se deposita, o incluso alcanzar la desembocadura de la cuenca donde da lugar a geoformas tipo abanicos. Estos flujos canalizados representan esencialmente lo que se denominan avenidas torrenciales en nuestro medio (Aristizábal et al. [2020]).

Fig. 10 Clasificacion de movimientos en masa tipo flujos de acuerdo con Cruden and Varnes [1996].

La descripción que más se ajusta a los procesos denominados localmente como avenidas torrenciales corresponde a una de las primeras definiciones de flujos de escombros realizada por Stiny [1910], donde los describe como fenómenos que inician como una inundación en drenajes de montaña, con una importante carga de sedimentos de fondo y en suspensión, y que, de acuerdo con el incremento en el volumen de sedimentos, cambia a una masa viscosa de agua, sedimentos y madera mezclados. En esta misma dirección, Hungr [2005] propone, a diferencia de Cruden and Varnes [1996] que restringen el término flujo a la deformación progresiva de los materiales de las laderas, utilizar el término flujo de escombros para cubrir un rango amplio de flujos, que incluyen los fenómenos iniciales de origen gravitacional en las laderas de la cuenca, que aportan una gran cantidad de sedimentos a los cauces de montaña, y que se transforman a flujos rápidos a lo largo de cauces confinados de fuerte pendiente, que terminan depositándose como abanicos. En conclusión, el término avenida torrencial se ajusta a la definición de flujo de escombros dada por Stiny [1910] y Hungr [2005], que representa un proceso amplio que va desde la ocurrencia de movimientos en masa en las laderas, hasta los diferentes flujos que se presentan a lo largo de los cauces de montaña, de acuerdo con la concentración de agua y sedimentos. El término avenida torrencial incorpora fenómenos a nivel de cuenca entre procesos gravitacionales y procesos hidrológicos.

Esta distinción es importante desde lo práctico, ya que implica que los métodos de evaluación de la susceptibilidad y amenaza para avenidas torrenciales no corresponden a las mismas aproximaciones presentadas para movimientos en masa tipo deslizamientos. Considerando la dinámica compleja entre las vertientes y el cauce que da origen a las avenidas torrenciales, los métodos más apropiados para la evaluación de la amenaza por avenidas torrenciales deben tener en cuenta esencialmente la propagación y el tránsito hidráulico de la mezcla de agua y sedimento resultante, en conjunto con las interconexiones entre las laderas y el cauce, y los posibles efectos concatenados entre fenómenos que pueden aportar rápidamente un gran volumen de agua con la presencia en la cuenca de un importante volumen de sedimentos disponibles. Los métodos para la evaluación de la susceptibilidad y/o amenaza por movimientos en masa sobre laderas permite establecer la fuente de los materiales, pero es necesario, como se mencionó anteriormente, evaluar la propagación de estos materiales, con el aporte de agua y sedimentos a lo largo de los cauces, considerando la reología apropiada. Esta parte se considera en el presente documento en el capítulo de Movimientos en masa tipo flujos.

Para las laderas conformadas en roca generalmente se presentan movimientos en masa tipo caída y volcamiento, los cuales suelen presentarse en conjunto. El volcamiento se refiere a la rotación del material con respecto un punto o eje por debajo del centro de gravedad, y la caída corresponde al descenso por el aire del material, donde se incluye además el rebote y/o rodamiento del material al caer.

Fig. 11 Volcamiento y caida en laderas en roca.

Finalmente se encuentran los movimientos en masa tipo extensión lateral, los cuales se dan en superficies planas y materiales cohesivos o roca que se encuentran sobre materiales de menor consistencia.

Actividad

Cruden and Varnes [1996] definen la actividad de un movimiento en masa de acuerdo con tres criterios asociados a la superficie de falla: estado, distribución y estado. El estado de la actividad describe el tiempo en que se ha presentado el movimiento, y se subdivide en activos, que está actualmente en movimiento, reactivado, que nuevamente es activo luego de estar inactivo, suspendido, que se ha movido dentro del último ciclo anual pero que no se está moviendo actualmente, y los inactivos, los cuales no presentan movimiento en un periodo mayor a un ciclo anual, entre ellos están los latentes (dormant) donde las causas que lo originaron permanecen, abandonados, donde las causas del movimiento han cambiando, estabilizado, cuando se han realizado obras de mitigación que impiden su movimiento, y relicto, los cuales se presentaron bajo condiciones climáticas y geomorfológicas diferentes a las actuales.

Fig. 12 Estado de la actividad de movimientos en masa de acuerdo con Cruden and Varnes [1996]. (1) activo, (2) suspendido, (3) reactivado, (5) latente (dormant), (6) abandonado, (7) estabilizado, (8) relicto. El estado inactivo se subdivide en los estados (5) al (8).

La distribución de la actividad se refiere hacia dónde se está moviendo o desplazando la superficie de falla. Se define como avanzando sí la superficie de ruptura se extiende en la dirección del movimiento, retrogresivo cuando se mueve la superficie de falla hacia la dirección opuesta al movimiento en masa, ampliándose cuando se mueve hacia ambas márgenes, alargándose cuando el material desplazado está continuamente adicionando más volumen de material, reduciéndose cuando ocurre lo contrario, finalmente se utiliza el término confinado cuando se observa el escarpe pero la superficie de falla no es visible en la pata del movimiento.

Finalmente, el estilo de la actividad se refiere a la forma en la cual diferentes movimientos contribuyen al movimiento en masa. Se subdivide en complejo cuando exhibe al menos dos tipos de movimientos en secuencia, es decir una partícula presenta dos tipos de movimientos en momentos diferentes, compuesto cuando exhibe al menos dos tipos de movimientos en diferentes partes de la masa desplazada, algunas veces simultáneamente. Adicionalmente se presentan los estilos sencillo cuando solo existe un tipo de movimiento y múltiple cuando se presentan diferentes movimientos del mismo tipo.

Como complemento a este marco estático de actividad, otros autores han propuesto marcos de análisis que describen la progresión temporal y el desarrollo de la masa inestable de una manera más amplia. De acuerdo con su evolución y persistencia temporal, los movimientos pueden clasificarse en monocrónicos, aquellos que se desarrollan en un único intervalo espacial y temporal discreto y definido –desde segundos hasta pocas semanas– antes de alcanzar su posición de reposo e interrumpir su movilidad de forma definitiva, y que suelen involucrar espesores delgados o someros (menores a 10 m) y volúmenes pequeños a moderados; y diacrónicos, anomalías gravitatorias permanentes que se prolongan en el relieve durante semanas, siglos o miles de años, alternando periodos de actividad y aceleración con periodos inactivos sin alcanzar un equilibrio definitivo, e involucrando masas grandes a excepcionalmente grandes en laderas con suficiente longitud de viaje disponible antes de alcanzar el fondo de los valles. De manera similar, el concepto de grado de desarrollo (Chacón et al., 1996, 2008) describe la evolución geomorfológica y el avance físico de la inestabilidad a través de cinco fases sucesivas, desde su gestación hasta su detención.

En cuanto a la escala de la velocidad de los movimientos en masa Cruden and Varnes [1996] proponen la siguiente Figura con velocidades en términos de m/s para movimientos extremadamente rápidos, m/min para muy rápidos, hr/min para rápidos, m/meses para moderados, m/año para lentos y muy lento para magnitudes alrededor de mm/año.

Fig. 13 Escala de velocidad de movimientos en masa de acuerdo con Cruden and Varnes [1996].

Intensidad vs Magnitud

Dos elementos importantes en amenazas naturales son la magnitud e intensidad de los fenómenos. Para el caso de los movimientos en masa la intensidad de un evento se refiere a parámetros relacionados con el poder destructivo, tales como la velocidad o el desplazamiento total; mientras que la magnitud de los movimientos en masa hace referencia a la medida del tamaño del evento, tal como el volumen o el área.