Landslides in reservoirs: a coupled thermo-hydromechanical approach

Premi extraordinari doctorat curs 2009-2010, àmbit d’Enginyeria CivilLa ocurrencia de deslizamientos es uno de los principales problemas presentes durante el diseño, construcción y explotación de presas y embalses. La inundación del pie de los taludes, así como el desembalse rápido, pueden provocar primeras roturas o reactivar antiguos deslizamientos, existentes con frecuencia en el entorno de los embalses. Esta Tesis se centra en el caso particular de los deslizamientos en las márgenes de embalses en los que una masa de terreno desliza sobre una superficie de corte bien definida sin que se observe una intensa degradación del material movilizado. En la primera parte de la Tesis se discute el desembalse rápido como un problema acoplado de flujo y deformación en condiciones saturadas/no saturadas. Un riesgo adicional aparece cuando el deslizamiento acelera e invade el embalse a gran velocidad, generando una ola. La discusión de los fenómenos responsables de la aceleración de los deslizamientos sigue actualmente activa. Probablemente la falta de casos bien documentados dificulta el avance en su conocimiento. En esta Tesis se considera como fenómeno responsable de la aceleración del deslizamiento el efecto del calor en la banda de corte, lo que induce la generación de presión de agua y, por consiguiente, la reducción de la resistencia friccional. Se definen las ecuaciones del problema (balance de masa y calor y ecuaciones constitutivas) en la banda de corte y se integran junto a la ecuación del movimiento. Con objeto de encontrar criterios prácticos para cuantificar el riesgo de aceleración debido al fenómeno analizado, se ha obtenido una solución analítica para el caso de deslizamientos planos bajo las hipótesis de incompresibilidad del agua, partículas sólidas y medio poroso. La comparación entre la solución analítica y la numérica (sin considerar las hipótesis impuestas en el desarrollo analítico), cuando se varían los parámetros más relevantes dentro de un rango razonable, indica que la solución analítica es suficientemente precisa para aplicaciones prácticas. El desarrollo termo-hidro-mecánico presentado se aplica al caso del deslizamiento de Vaiont. En primer lugar se explica la situación de estabilidad previa a la rotura introduciendo la resistencia de la roca movilizada. El análisis es coherente con la información disponible (geometrías del deslizamiento, resistencia residual, propiedades de los materiales y ensayos de laboratorio). Cuando el mecanismo de generación de presión de agua debido al calor resultante del trabajo friccional se incluye en el análisis dinámico del modelo del deslizamiento de Vaiont, se predice bien la alta velocidad observada. Se han realizado análisis de sensibilidad y de efecto escala tanto para el caso de deslizamiento plano como para la geometría de Vaiont. Se han encontrado tres parámetros relevantes para explicar la aceleración del movimiento: el espesor de la banda de corte, su permeabilidad y su rigidez. De hecho, la permeabilidad y el espesor de la banda de corte están directamente relacionados dado que ambos dependen de la granulometría del material. Los resultados obtenidos indican que la permeabilidad de la banda es el parámetro clave. Un umbral de permeabilidad establecido entre 10-8 y 10-10 m/s, marca la transición entre deslizamientos potencialmente acelerados (cuando la permeabilidad es baja) y deslizamientos seguros (permeabilidades mayores a 10-10 m/s). En el caso de deslizamientos de grandes dimensiones, combinaciones críticas de la permeabilidad y espesor de la banda de corte resultan en un incremento substancial de la temperatura. Los altos valores resultantes de los cálculos (cientos o miles de ºC) invalidan el análisis aquí presentado. Fenómenos como la evaporación o la fusión de la roca deberían ser incluidos en estos casos. En el último Capítulo se analiza el deslizamiento de Canelles ocurrido recientemente. El deslizamiento pone en riesgo el buen funcionamiento de la presa y del embalse. Algunos de los desarrollos descritos en la Tesis, como son la solución del desembalse rápido y el modelo termo-hidro-mecánico para el análisis de la aceleración de los deslizamientos se han aplicado al caso de Canelles. El capítulo describe la metodología adoptada, que puede ser aplicada en casos similares.Landsliding is an important problem when facing the design, construction and operation of dams and reservoirs. Impoundment of the slope toes as well as the rapid drawdown may trigger the movement of first-time landslides or reactivate ancient landslides often located in reservoir sites. This Thesis deals with the particular case of landslides around reservoirs defined as a mobilized mass that slides on a well-defined shearing surface without experiencing a major degradation. In the first part of the Thesis the mechanism of rapid drawdown is discussed as a fully coupled flow-deformation problem for saturated/unsaturated conditions. Additional risk appears when landslide accelerates and is able to enter the reservoir at high speed creating impulsive waves. The discussion on the different phenomena leading to the fast acceleration is today very active. Probably the lack of well-documented cases makes the advancement of knowledge difficult. The mechanism to explain the rapid acceleration of landslides favoured in this Thesis is based on thermal effects on the sliding surface that induce the generation of pore water pressure and therefore, the reduction of the frictional strength. The governing equations (mass and heat balance equations and constitutive equations) formulated in the shear band have been written and integrated together with the motion equation of the slide. With the aim of finding practical criteria to decide the actual risk of slide acceleration due the phenomena analysed, a closed-form solution has been obtained for the case of planar landslides under the hypothesis of incompressible water, solid particles and porous media. For a rational range of the most relevant parameters, comparison between analytical and numerical (relaxing the assumptions introduced in the analytical development) solutions shows a remarkable similarity and reveals that the closed-form solution is accurate enough for practical applications. The thermo-hydro-mechanical approach discussed is applied in the case of Vaiont landslide. The stability of this landslide before the failure is first discussed by means of a simple explanation introducing the internal strength of the mobilized rock. The analysis is consistent with the available data (slide geometry, residual strength, material properties and laboratory tests). When the self-feeding mechanism of pore pressure generation due to heat resulting from the frictional work is introduced in the dynamic analysis of the Vaiont model, the high velocity actually observed is predicted. Sensitivity and scale analysis have been performed for the case of a planar landslide and for the geometry of Vaiont. Three parameters have been found important to explain the acceleration of the motion: the thickness of the shearing band, its permeability and its stiffness. In fact, permeability and thickness can be related since both depend on the particle size distribution. Calculated results indicate that the permeability of the shear band is a key parameter. A threshold of permeability established around 10-8 to 10-10 m/s marks the transition for a potentially risky slide (when the permeability is lower) to a safe one (for higher values of permeability). For very large landslides, critical combinations of band permeability and band thickness result in a substantial increase in temperature. At high calculated values of temperature (hundreds or even thousands of ºC), the analysis presented is not applicable. Evaporation or advance constitutive equations including rock melting should be included. In a final chapter a recent large landslide located in Canelles reservoir is analyzed. The slide is regarded as a potential risk for the operation of the dam and the reservoir. Some of the developments made in the Thesis, namely the solution of rapid drawdown and the thermal coupled model for fast landsliding, are applied to Canelles. The chapter describes the methodology adopted which can be applied in similar cases.Award-winnin