Modelización numérica de geomateriales fluidificados con SPH aplicada al análisis de amenaza por deslizamientos rápidos y flujos no canalizados de ladera
Authors:   , Hernández Castellanos Andrei Orlando 
Published: September 2024

This research addresses issues related to modelling the propagation of landslides and fast to extremely fast flows, which cause considerable losses in exposed elements (buildings, environment, infrastructure, and social). Therefore, a methodological framework and a technical proposal are presented for the analysis of landslide threat and non-channelized slope flows, with emphasis on the study of propagation, through deterministic and probabilistic estimation of intensity and spatial distribution of the mobilized mass.

This document provides a detailed description of a numerical model based on the SPH technique, whose mathematical basis is the integrated depth model; the code used (GeoFlow_SPH) is validated by modelling the propagation of landslides: (i) fast translational in Rosas, Cauca, 2019, (ii) and (iii) El Picacho, 1982, in San Salvador, and finally, (iv) the slow landslide in Tegucigalpa, 2022.

In the case of study (i), the behaviour of the mobilized mass is replicated, assuming that the propagation occurs in two stages: first, as a flexible block, which experiences high displacement velocities mainly due to increased pore pressure at the interface between the mobilized soil mass and the sliding surface; in the second stage, the block disintegrates due to changes in the slope of the slope and resisting forces. After disintegration, it behaves like a turbulent flow.

In the case studies (ii) and (iii), the aim is to recreate the behaviour of the mobilized mass of the El Picacho landslide, 1982. For this purpose, the code includes the possibility for the mass to increase its water content while transiting over waterlogged areas.

Main results:

The GeoFlow_SPH code, which includes a technique similar to the proposal by Aaron & Hungr (2016), accurately describes the different ways in which fast landslides and non-channelized slope flows can propagate.

Another adaptation made to GeoFlow_SPH is related to the probabilistic modelling of propagation, allowing for analysis of landslide threat and non-channelized slope flows considering the uncertainty associated with the geotechnical characterization of the soil mass to be propagated.

From the probabilistic propagation modelling, statistical values (mean and standard deviation) of the characteristic magnitudes of landslide intensity (height h, velocity v, and discharge q) are obtained for each zone (pixel) of the domain. The probability of propagation is estimated based on the probability distributions generated for each magnitude.

Proposal for estimating landslide and flow threat integrates propagation probability values with annual total failure probability results for initiation in each pixel.

The proposed methodology for threat analysis, through probabilistic quantification of spatial distribution of propagation and characterization of landslide intensity, provides input for obtaining vulnerability and physical risk quantitatively and stochastically.

Numerical modelling of propagation shows significant advancement in spatial resolution of intensity characterization of landslide and propagation distribution compared to analytical or geometric methods.

Modelling the El Picacho landslide, 1982, considering increased water content in the soil mass during propagation, yields more appropriate results than those conducted without considering water content increase in the mass.

Regarding modelling (iv), it is demonstrated that the GeoFlow_SPH program is capable of recreating the behaviour of slow landslide propagation.

RESUMEN

Esta investigación aborda problemas de modelización de propagación de deslizamientos y flujos, rápidos a extremadamente rápidos, los cuales, provocan pérdidas considerables en los elementos expuestos (edificaciones, medio ambiente, infraestructura y social). Por esto, se presenta un marco metodológico y una propuesta técnica para el análisis de amenaza por deslizamientos traslacionales y flujos no canalizados de ladera, con énfasis en el estudio de la propagación, mediante la estimación determinista y probabilista de la intensidad y de la distribución espacial de la masa movilizada.

En este documento se describe de forma detallada un modelo numérico basado en la técnica SPH, cuya base matemática es el modelo integrado en profundidad; el código utilizado (GeoFlow_SPH) se valida mediante la modelización de la propagación de los deslizamientos: (i) traslacional rápido de Rosas, Cauca, 2019, (ii) y (iii) El Picacho, 1982, en San Salvador y, por último, (iv) el deslizamiento lento de Tegucigalpa, 2022.

En el caso de estudio (i), se replica el comportamiento de la masa movilizada, asumiendo que la propagación se da en dos etapas: la primera, como un bloque flexible, este, experimenta altas velocidades de desplazamiento debido en gran parte, al incremento de la presión de poros en la interface entre la masa de suelo movilizada y la superficie de deslizamiento; en la segunda etapa, el bloque se desestructura por los cambios de pendiente de la ladera y las fuerzas resistentes. A partir de la disgregación, se comporta como un flujo turbulento.

En los casos de estudio (ii) y (iii), se trata de recrear el comportamiento de la masa movilizada del deslizamiento El Picacho, 1982. Para esto, se incluye en el código, la posibilidad de que la masa inclemente su contenido de agua durante el tránsito sobre zonas encharcadas.
Principales resultados:

El código GeoFlow_SPH que incluye una técnica similar a la propuesta (Aaron & Hungr, 2016), es capaz de describir en forma acertada las diferentes formas en que se pueden propagar los deslizamientos rápidos y flujos no canalizados de ladera.

Otra adaptación realizada al GeoFlow_SPH, es la relacionada con la modelización probabilista de la propagación, esta, permite realizar análisis de amenaza por deslizamientos rápidos y flujos no canalizados de ladera considerando la incertidumbre que supone la caracterización geotécnica de la masa de suelo a propagarse.

De las modelizaciones probabilistas de propagación, se obtienen los valores estadísticos (media aritmética y la desviación típica), de las magnitudes características de la intensidad del deslizamiento (altura h, velocidad v y caudal q), para cada zona (pixel) del dominio. A partir de las distribuciones de probabilidad generadas para cada una de las magnitudes, se estima la probabilidad de propagación.

Propuesta para estimar la amenaza por deslizamientos y flujos, donde se integran los valores de probabilidad de propagación con los resultados de probabilidad de falla total anual de iniciación en cada pixel.

La metodología propuesta para el análisis de la amenaza, mediante la cuantificación probabilista de la distribución espacial de la propagación y la caracterización de la intensidad del deslizamiento, es un insumo para obtener la vulnerabilidad y el riesgo físico de forma cuantitativa y estocástica.

La modelación numérica de la propagación muestra un avance significativo en la resolución espacial de la caracterización de la intensidad del deslizamiento y de la distribución de la propagación, respecto de los métodos analíticos o geométricos.

La modelización del deslizamiento El Picacho, 1982, considerando el incremento de agua en la masa de suelo durante la propagación, presenta resultados más adecuados que las realizadas sin considerar el incremento de agua en la masa.

Respecto de la modelización (iv), se demuestra que el programa GeoFlow_SPH, es capaz de recrear el comportamiento de la propagación de deslizamientos lentos.