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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA EN GEOLOGÍA, MINAS, PETRÓLEOS Y
AMBIENTAL
CARRERA DE INGENIERÍA EN GEOLOGÍA
“ANÁLISIS COMPARATIVO DE MEDIDAS ESTRUCTURALES, APLICANDO
MÉTODOS TRADICIONALES Y TÉCNICAS FOTOGRAMÉTRICAS CON
VEHÍCULOS AÉREOS NO TRIPULADOS (UAV – LIVIANO); CASO DE
ESTUDIO: ESQUISTOS DE LA U. AGOYAN EN EL KM 7+000 DE LA VÍA
BAÑOS-PUYO”
TRABAJO DE TITULACIÓN, MODALIDAD PROYECTO DE INVESTIGACIÓN
PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN GEOLOGÍA
AUTORA: Ana Lucila Merino Ruiz
TUTOR: Ing. Alex Mauricio Mateus Mayorga, MSc.
QUITO, febrero 2017
ii
AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL
Yo, Ana Lucila Merino Ruiz en calidad de autor del trabajo de investigación: “ANÁLISIS
COMPARATIVO DE MEDIDAS ESTRUCTURALES, APLICANDO MÉTODOS
TRADICIONALES Y TÉCNICAS FOTOGRAMÉTRICAS CON VEHÍCULOS
AÉREOS NO TRIPULADOS (UAV – LIVIANO); CASO DE ESTUDIO: ESQUISTOS
DE LA U. AGOYAN EN EL KM 7+000 EN LA VÍA BAÑOS-PUYO DE LA VÍA
BAÑOS-PUYO”, autorizo a la Universidad Central del Ecuador hacer uso de todos los
contenidos que me pertenecen o parte de los que contiene esta obra, con fines
estrictamente académicos o de investigación.
Los derechos que como autor me corresponden, con excepción de la presente
autorización, seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en los
artículos 5, 6, 8, 19 y demás pertinentes de la Ley de Propiedad Intelectual y su
Reglamento.
Asimismo, autorizo a la Universidad Central del Ecuador para que realice la digitalización
y publicación de este trabajo de investigación en el repositorio virtual, de conformidad a
lo dispuesto en el Art. 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior.
-----------------------------------------------------
Ana Lucila Merino Ruiz
C.C: 1720258258
ruizanitamerino@gmail.com
almerino@uce.edu.ec
iii
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA EN GEOLOGÍA, MINAS, PETRÓLEOS Y
AMBIENTAL
CARRERA DE INGENIERÍA EN GEOLOGÍA
APROBACIÓN DEL TRABAJO DE TITULACIÓN POR PARTE DEL TUTOR
Yo, Alex Mauricio Mateus Mayorga en calidad de tutor del trabajo de titulación
“ANÁLISIS COMPARATIVO DE MEDIDAS ESTRUCTURALES, APLICANDO
MÉTODOS TRADICIONALES Y TÉCNICAS FOTOGRAMÉTRICAS CON
VEHÍCULOS AÉREOS NO TRIPULADOS (UAV – LIVIANO); CASO DE ESTUDIO:
ESQUISTOS DE LA U. AGOYAN EN EL KM 7+000 DE LA VÍA BAÑOS-PUYO”,
elaborado por la estudiante Ana Lucila Merino Ruiz de la Carrera de Ingeniería en
Geología, d e l a Facultad de Ingeniería en Geología, Minas, Petróleos y Ambiental
de la Universidad Central del Ecuador, considero que el mismo reúne los requisitos y
méritos necesarios en el campo metodológico y en el campo epistemológico, para ser
sometido a la evaluación por parte del jurado examinador que se designe, por lo que lo
APRUEBO, a fin de que trabajo investigativo sea habilitado para continuar con el
proceso de titulación determinado por la Universidad Central del Ecuador.
En la ciudad de Quito, a los 30 días del mes enero de 2017
-----------------------------------------------------
Alex Mauricio Mateus Mayorga
Ingeniero Geólogo, Master en Sistemas de Información Geográfica
C.C: 1716372519
iv
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA EN GEOLOGÍA, MINAS, PETRÓLEOS Y
AMBIENTAL
CARRERA DE INGENIERÍA EN GEOLOGÍA
APROBACIÓN DEL TRABAJO DE TITULACIÓN POR PARTE DEL TRIBUNAL
El Presidente y los Miembros del Tribunal de Grado del Trabajo de Titulación
denominado “ANÁLISIS COMPARATIVO DE MEDIDAS ESTRUCTURALES,
APLICANDO MÉTODOS TRADICIONALES Y TÉCNICAS FOTOGRAMÉTRICAS
CON VEHÍCULOS AÉREOS NO TRIPULADOS (UAV – LIVIANO); CASO DE
ESTUDIO: ESQUISTOS DE LA U. AGOYAN EN EL KM 7+000 DE LA VÍA BAÑOS-
PUYO”, elaborado por Ana Lucila Merino Ruiz egresada de la Carrera de Ingeniería
en Geología, de la Facultad de Ingeniería en Geología, Minas, Petróleos y Ambiental
de la Universidad Central del Ecuador. Declaran que el presente trabajo ha sido revisado,
verificado y evaluado detenida y legalmente, por lo que califican como original y
auténtico de la autora.
En la ciudad de Quito, a los 23 días del mes febrero del 2017.
_______________________
Ing. Galo Albán. MSc
PRESIDENTE DEL TRIBUNAL DE
DEFENSA DE GRADO ORAL
____________________ ____________________
Ing. Elías Ibadango, MSc Ing. Marlon Ponce
MIEMBRO MIEMBRO
v
DEDICATORIA
A mis adorados Abuelitos Mesías Ruiz (+) y Lucila Castro, por ser tan amorosos, son
mi base y mi inspiración, a mi amada Madre Nancy Ruiz por su apoyo y amor
incondicional, a quien considero mi padre Juan Ruiz por su cariño y consejos, a mi Tía
Irene Ruiz por su respaldo absoluto, también a mis tíos y tías: Alfonso (+), Cecilia,
Rodrigo, Jaime, Alicia y Patricio. A todos y cada uno de mis primos en especial a mi
Luisfer, Majo, Alfonsito, Paulita y David, porque con su alegría y sonrisas llenaron de
felicidad mi corazón.
vi
AGRADECIMIENTO
Gracias Dios y Virgencita del Quinche.
Aborigen lo mismo que ibérica,
Entre el mar y volcán de granito,
Juventud de la Raza de América,
Somos fuerza de América en Quito.
EN EL TIEMPO Y EN EL ESPACIO TU NOMBRE SONARÁ ¡UNIVERSIDAD
CENTRAL!
Mis más sinceros agradecimientos a:
La gloriosa UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR, la ilustre Facultad de
Ingeniería en Geología, Minas, Petróleos y Ambiental, en especial la prestigiosa
Escuela de Geología conformada por profesionales de calidad y calidez.
Roberto Cepeda, quien me permitió compartir su idea, fomentando una nueva
metodología para las geociencias.
Ing. Alex Mateus, por su colaboración en la realización de la presente investigación, en
calidad tutor.
Dr. Jaime Jarrín por ser un profesional intachable, un catedrático dedicado, pero sobre
todo un amigo del estudiante.
Ing. Galo Albán por creer en el estudiante, brindando confianza y permitiendo
desarrollar a metodología en el ámbito profesional.
Ing. Héctor Cepeda por compartir sus conocimientos y experiencia.
Ing. Iván Pazmiño por su apoyo y confianza.
Por supuesto a las personas más importantes, propulsores de mi bienestar y mi
educación, a mi amada madre Nancy Ruiz, mis queridos tíos Juan e Irene, a mis
adorados abuelitos y toda mi apreciada Familia.
A mis amigos/as que han sabido estar presentes en momentos muy felices y de mucho
dolor.
¡Infinitas gracias!
vii
CONTENIDO
…………………………………………pág.
RESUMEN -------------------------------------------------------------------------------------- XV
ABSTRACT ------------------------------------------------------------------------------------ XVI
1. INTRODUCCIÓN -------------------------------------------------------------------------- 1
1.1 ANTECEDENTES ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1
1.2 JUSTIFICACIÓN ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2
1.3 OBJETIVOS ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3
1.3.1 General --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3
Específicos ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3
1.4 ALCANCE ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4
1.5 UBICACIÓN DE LA ZONA DE ESTUDIO ----------------------------------------------------------------------------------- 4
2. MARCO TEÓRICO---------------------------------------------------------------------------- 6
2.1 LEYES Y REGLAMENTOS ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 6
2.2 FOTOGRAMETRÍA ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 7
Estructura obtenida del Movimiento (SFM-Structure from motion) -------------------------------------- 8
Nubes de puntos --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 9
Puntos GCP -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 10
Algoritmo modificado Ply2atti_ra --------------------------------------------------------------------------------- 10
Equipos ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 10
2.3 GEOMECÁNICA --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 12
Resistencia a la Compresión Simple -------------------------------------------------------------------------- 12
Grado de meteorización del macizo rocoso --------------------------------------------------------------- 13
viii
Tamaño de bloques----------------------------------------------------------------------------------------------- 13
Rock Quality Designation (RQD) ------------------------------------------------------------------------------ 14
Orientación --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 14
Espaciamiento ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 14
Persistencia --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 15
Rugosidad ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 15
Abertura ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 16
Relleno ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 17
Filtración de agua --------------------------------------------------------------------------------------------- 17
Calidad del macizo rocoso por el método de Bieniawski (RMR)---------------------------------- 18
METODOLOGÍA DE MAPEO GEOMECÁNICO ------------------------------------------------------------------------- 19
CONTEXTO GEOLÓGICO --------------------------------------------------------------------------------------------------- 21
División Loja ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 21
Geomorfología --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 22
3. PRESENTACIÓN DE INFORMACIÓN--------------------------------------------------- 24
GEOLOGÍA LOCAL ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 24
3.2 MAPEO GEOMECÁNICO DE MACIZOS ROCOSOS (MÉTODO TRADICIONAL) ------------------------------- 24
Resistencia a la Compresión simple ------------------------------------------------------------------------------ 25
Sets de discontinuidades (orientación) -------------------------------------------------------------------------- 26
Grado de meteorización --------------------------------------------------------------------------------------------- 26
Tamaño de bloques --------------------------------------------------------------------------------------------------- 27
Índice de calidad de la roca (RQD) -------------------------------------------------------------------------------- 28
Espaciamiento ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 28
Persistencia ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 29
Rugosidad ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 29
Abertura------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 30
Filtraciones de Agua ------------------------------------------------------------------------------------------------- 30
Relleno ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 31
Calidad del macizo rocoso (RMR) -------------------------------------------------------------------------------- 31
MAPEO GEOMECÁNICO CON UAV-LIVIANOS (MÉTODOS NO TRADICIONALES) -------------------------- 32
Restitución fotogramétrica ----------------------------------------------------------------------------------------- 32
Modelo tridimensional del macizo rocoso U. Agoyán ------------------------------------------------------- 33
Set de discontinuidades (Orientación) --------------------------------------------------------------------------- 33
ix
Tamaño de bloque ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 36
Índice de calidad de la roca (RQD) -------------------------------------------------------------------------------- 36
Espaciamiento ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 36
Persistencia ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 37
Rugosidad ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 37
Calidad del macizo rocoso RMR (drones) ----------------------------------------------------------------------- 38
4. COMPARACIÓN Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS ----------------------------------- 40
4.1 Familia J1 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 41
4.2 Familia J2 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 42
4.3 Familia J3 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 42
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES --------------------------------------------- 46
5.1 CONCLUSIONES DE LA COMPARACIÓN GEOMÉCANICA DEL RMR CON RESPECTO A LAS TÉCNICAS FOTOGRAMÉTRICAS MEDIANTE UAVS. ------------------------------------------------------------------------------------ 46
5.1 CONCLUSIONES A LOS PROBLEMAS DE LA TOMA DE DATOS. -------------------------------------------------- 47
RECOMENDACIONES ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 49
6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ------------------------------------------------------ 50
ANEXOS ----------------------------------------------------------------------------------------- 53
ANEXO 1 ---------------------------------------------------------------------------------------- 54
Fichas petrográficas de las muestras --------------------------------------------------------------------------------------- 54
ANEXO 2 ---------------------------------------------------------------------------------------- 56
Resultado del Ensayo a la Compresión Simple --------------------------------------------------------------------------- 56
ANEXO 3 ---------------------------------------------------------------------------------------- 57
Detalle de la obtención de valores estructurales de Azimut de Buzamiento y Buzamiento --------------- 56
ANEXO 4 -------------------------------------------------------------------------------------- 579
Aplicación fotogramétrica en la interpretación Geomecánica del Talud -------------------------------------- 569
x
LISTA DE TABLAS
…………………………………………pág.
Tabla 1. ............................................................................................................................. 6
Leyes y Reglamentos del uso de UAVs
Tabla 2. ........................................................................................................................... 12
Resistencia a la compresión simple
Tabla 3. ........................................................................................................................... 13
Descripción de la meteorización de la roca intacta.
Tabla 4. ........................................................................................................................... 13
Grado de fracturación y descripción del tamaño de bloques
Tabla 5. ........................................................................................................................... 15
Terminología para el Espaciamiento de discontinuidades
Tabla 6. ........................................................................................................................... 15
Terminología para Persistencia o Continuidad de discontinuidades
Tabla 7. ........................................................................................................................... 16
Terminología para Abertura de discontinuidades
Tabla 8. ........................................................................................................................... 17
Tipo de Relleno
Tabla 9. ........................................................................................................................... 17
Descripción de filtraciones en discontinuidades
Tabla 10. ......................................................................................................................... 18
Valores del RMR (Bieniawski, 1979
xi
Tabla 11. ......................................................................................................................... 26
Familias o set de discontinuidades identificadas en el talud del Km 7+000
Tabla 12. ......................................................................................................................... 31
RMR del macizo rocoso de la U. Agoyán
Tabla 13. ......................................................................................................................... 35
Valores de buzamiento y Azimut buzamiento
Tabla 14. ......................................................................................................................... 38
RMR del macizo rocoso de la U. Agoyán
Tabla 15. ......................................................................................................................... 42
Comparación de parámetros geomecánicas de la Familia J1
Tabla 16. ......................................................................................................................... 42
Comparación de parámetros geomecánicas de la Familia J2
Tabla 17. ......................................................................................................................... 43 Comparación de parámetros geomecánicas de la Familia J3
Tabla 18 .......................................................................................................................... 58
Valores estructurales de la Familia J2 obtenidos en ordenador
xii
LISTA DE FIGURAS
…………………………………………pág.
Figura 1. Zona de estudio ................................................................................................. 5
Figura 2. Visión Estereoscópica desde los puntos Y´ y Y´´. ............................................ 7
Figura 3. Fotogramas de un UAV. Esquema que permite visión estereoscópica, con tres
fotogramas (A, B, C) ........................................................................................................ 8
Figura 4. Estructura de Obtenida del Movimiento (SFM)................................................ 9
Figura 5. A) Nube escasa de puntos y B) nube densa de puntos .................................... 10
Figura 6. Equipos para técnicas fotogramétricas: A) Drone- Phantom 3 Pro, B) Cámara,
C)Trimble R1 y D) Estación Total, Trimble DR ............................................................ 11
Figura 7.Medida de la orientación de discontinuidades ................................................. 14
Figura 8. A) Diagrama para determinar JRC, B) Rugosímetro casero RA. ................... 16
Figura 9. Metodología empleada para caracterización geomecánica en campo y en
ordenador. ....................................................................................................................... 20
Figura 10. Mapa Geológico ............................................................................................ 22
Figura 11. Mapa de Geomorfológico ............................................................................. 23
Figura 12. Talud de estudio, a) afloramiento en la antigua vía Baños-Puyo Km 7+000, b)
muestra de esquisto cuarzo-sericítico ............................................................................. 24
Figura 13. Afloramiento divido en tres zonas por el grado de fracturamiento. .............. 25
Figura 14. Ensayo a la compresión simple en el Departamento de Ensayo de Materiales y
Modelos de la Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad
Central del Ecuador, 2016. ............................................................................................. 25
Figura 15. Grado de meteorización del talud de estudio, A) Oxidación de la roca, B)
Decoloración por influencia de agentes físicos (principalmente el agua) ...................... 27
Figura 16. Histograma del Tamaño de bloques en el talud de estudio y valoración en
campo de Jv en la parte central del afloramiento. .......................................................... 27
Figura 17. Histograma del RQD y evaluación del RQD en campo. ............................... 28
Figura 18. Histograma de espaciamiento entre discontinuidades y valoración en campo
........................................................................................................................................ 28
xiii
Figura 19. Histograma de persistencia entre discontinuidades y valoración en campo . 29
Figura 20. Histograma de JRC y perfil de rugosidad obtenido en campo. ..................... 29
Figura 21. Histograma de abertura entre discontinuidades y medición en campo. ........ 30
Figura 22. Filtración de Agua en el talud ....................................................................... 30
Figura 23. Colocación de GCPs en el Afloramiento ...................................................... 32
Figura 24. Modelo digital tridimensional ....................................................................... 33
Figura 25. Planos de discontinuidades definidos en el talud .......................................... 34
Figura 26. a) Delimitación de planos en el software Agisoft Photoscan, b) extracción de
los valores de buzamiento de los planos del mapa de pendientes y c) extracción de los
valores de azimut de buzamiento de los planos. ............................................................. 34
Figura 27. En el tramo 3 se visualiza claramente 2 planos a contrapendiente: plano1_c el
valor es: 351/59 y el plano2_c es 300/67 ....................................................................... 35
Figura 28. Histograma del tamaño de bloque y medición en software .......................... 36
Figura 29. Histograma de RQD y medición en software ............................................... 36
Figura 30. Histograma de espaciamiento entre discontinuidades y medición en software
........................................................................................................................................ 37
Figura 31. Histograma de persistencia de discontinuidades y medición en software .... 37
Figura 32. Histograma de JRC y medición en software ................................................. 38
Figura 33. Datos estructurales de campo vs software del: a) azimut de buzamiento y b)
buzamiento. .................................................................................................................... 41
Figura 34. Análisis cinemático de falla plana para la familia J3 .................................... 44
Figura 35. Análisis cinemático de falla en cuña para cada familia. ............................... 44
Figura 36. Análisis cinemático de rotura por volteo para la familia J2. ......................... 45
Figura 37.Identificación de planos para determinar los valores de azimut y buzamiento
fue necesario realizar varias divisiones y subdivisiones del talud.................................. 57
Figura 38.Visión en Software. Tramo 4, parte 2, sección 2.2 ........................................ 58
Figura 39.Planos en contrapendiente .............................................................................. 58
Figura 40. Forma de ingresar datos RGB al algoritmo modificado Ply2atti_ra ............. 59
xiv
GLOSARIO
Az Bz: Azimut de Buzamiento.
Bz: Buzamiento.
DAC: Dirección de Aviación Civil.
DEM: modelo digital de elevación.
DRONE: robot y vehículo aéreo no tripulado.
GCP: puntos de control en tierra para corrección de geoposicionamiento.
GNSS: Global Navigation Satellite System
GPS: sistema americano de navegación y localización mediante satélites.
GSD: distancia entre centros de pixeles proyectados.
INECEL: Instituto Ecuatoriano de Electrificación
MeshLab: Software de visión tridimensional.
PIXEL: Unidad básica de una imagen digitalizada en pantalla a base de puntos de color o en
escala de grises.
QZSS: Quasi-Zenith Satellite System
RC: radio control del drone.
RGB: red (rojo), green (verde), blue (azul).
RPAS: sistema de aeronaves pilotadas a distancia.
SFM: Structure from motion (estructura obtenida del movimiento)
UAS: sistema de aeronaves no tripuladas.
UAV-liviano: vehículo aéreo no tripulado.
UTM= Universal Transversal Mercator.
xv
TEMA: “Análisis comparativo de medidas estructurales, aplicando métodos
tradicionales y técnicas fotogramétricas con Vehículos Aéreos No tripulados (UAV –
liviano); caso de estudio: esquistos de la U. Agoyán en el km 7+000 de la vía Baños-
Puyo”
Autor: Ana Lucila Merino Ruiz
Tutor: Alex Mauricio Mateus Mayorga, MSc
RESUMEN
La presente investigación tiene el propósito de incluir una herramienta eficaz, en
el trabajo de campo del ingeniero geólogo vinculando el uso de UAVs o drones,
particularmente en la caracterización geomecánica del macizo (tamaño de bloques, RQD
y RMR), además, la descripción de discontinuidades (orientación, espaciamiento,
persistencia, abertura y rugosidad), para proporcionar información fiable a bajo costo,
mediante la adquisición de datos en zonas poco accesibles, resguardando la integridad
del equipo humano en las geotravesías.
En la realización de este trabajo se generaron modelos tridimensionales derivados
de fotogramas obtenidos con los UAV-livianos, aplicando técnicas fotogramétricas. La
medición realizada en los modelos se comparó con el mapeo del macizo metamórfico de
la U. Agoyán en la antigua vía Baños-Puyo km 7+000. Una vez realizado el estudio se
estableció que en el talud predominan tres familias de discontinuidades, definidas en base
a las superficies de aspecto (AzBz) y pendientes (Bz), la forma de los bloques es
romboédrico, de tamaño pequeño a medio, el espaciamiento varía de moderado a cerrado,
la persistencia de baja a media y el índice de rugosidad es JRC=20, definido como muy
rugoso.
Comprobando el RMR en los dos métodos, se cataloga al talud como regular, es
decir un macizo tipo III, donde el valor varía de 51 – 57. El análisis cinemático determinó
que la inestabilidad del talud es por volteo de bloques (toppling) accionada por la familia
J2=340/63 (contrapendiente).
PALABRAS CLAVES: UAVS / FOTOGRAMETRÍA / GEOMECÁNICA /
COMPARACIÓN / MODELOS 3D/
xvi
TOPIC: “Comparative analysis of structural measurement applying traditional methods
and photogrammetric techniques with Unmanned Aerial Vehicles (lightweight-UAVs);
study case: Agoyán Unit schist at km 7+000 of the Baños-Puyo road”
Author: Ana Lucila Merino Ruiz
Tutor: Alex Mauricio Mateus Mayorga, MSc
ABSTRACT
This research has the purpose to include a useful tool for geologist engineers
fieldwork using UAVs or drones, especially regarding the bedrock geomechanic
characterization (block size, RQD and RMR), and in the description of discontinuities
(orientation, spacing, persistence, aperture and roughness) in order to provide reliable
information at low-cost, getting data in difficult areas, taking care the integrity of the
human team.
Tridimensional models were generated in this project, from photograms obtained
from lightweight UAVs. These were done applying photogrammetric techniques. The
measurement used for the models was compared with the mapping of the metamorphic
massif of the Agoyán Unit in the old BAÑOS-PUYO road, kilometer 7+000. Once the
study was done, it was established that there were three sets of discontinuities
predominating the slopes. These were defined based on the aspect surfaces (AzBz) and
slopes (Bz). The blocks shape is rhombohedron, from small to medium size; the spacing
varies from moderate to closed; the persistence ranges from low to medium; and the
roughness index is JRC=20, defined as very rough.
Checking the RMR in both methods, the slope is classified as regular, i.e., a massif
type III, where the value varies from 51 to 57. The cinematic analysis determined that
the instability of the slope by toppling, activated by the set J2=340/63 (counterslope).
KEY WORDS: UAVS / PHOTOGRAMMETRY / GEOMECHANICS /
COMPARISON / 3D MODELS.
I CERTIFY that the above and foregoing is a true and correct translation of the original document in Spanish.
____________________
Alex Mateus Mayorga C.C: 1716372519
Tutor
1
1. INTRODUCCIÓN
La tecnología hoy por hoy se ha desarrollado exitosamente, incursionando en diferentes
ciencias, es así el caso de: Arquitectura, Física, Geotecnia, Agricultura, Topografía,
Geología, etc. En geociencias, ha sido trascendental este desarrollo, permitiendo
implementar el uso práctico de UAV-liviano (Vehículo Aéreo No Tripulado), conocidos
mundialmente como drones, optimizando el tiempo en la adquisición de información en
estudios de campo, resguardando la seguridad del ser humano.
Según Hernández (2014), para el diagnóstico de estabilidad de un talud rocoso, a parte
de los datos relativos de la matriz sana de la roca, es primordial estudiar las
discontinuidades, debido a que, en la mayoría de los casos, el origen de la inestabilidad
del macizo rocoso se debe a su configuración. Por lo cual, es fundamental la descripción
geomecánica de las discontinuidades y su disposición geométrica a lo largo del talud.
La utilización del UAV-liviano en la mecánica de rocas, permite caracterizar medidas
estructurales en macizos rocosos, evaluando las discontinuidades sobre planos expuestos,
especialmente en lugares de difícil acceso. Este trabajo no podría llevarse a cabo sin la
aplicación de sistemas de información geográfica y algoritmos de reconstrucción
fotogramétrica.
1.1 ANTECEDENTES
Los primeros estudios en la vía Baños - Puyo los inició el Instituto Ecuatoriano de
Electrificación (INECEL), que en 1975 realizó el levantamiento topográfico y en 1978
se elaboró el informe de diseño previo a la construcción del Proyecto Hidroeléctrico
Agoyán, el cual incluye la caracterización del macizo metamórfico del Proyecto
Hidroeléctrico San Francisco, el mismo que es aledaño a la zona estudio proporcionando
valiosa información a la presente investigación.
2
En la antigua vía Baños-Puyo se ha incrementado el tránsito vehicular y el ciclismo,
debido a la gran afluencia de turistas que visitan Baños de Agua Santa, los cuales
disfrutan de paisajes, cascadas y deportes extremos, que en su mayoría se localizan a lo
largo de la carretera. En la zona de estudio, específicamente en el Km 7+000 de la vía,
existe desprendimiento de rocas hacia la calzada, esto debido a la configuración de las
discontinuidades del macizo rocoso, especialmente en época de alta pluviosidad (abril a
julio), incrementando la vulnerabilidad de pobladores y turistas, así como,
inconvenientes en la movilidad.
1.2 JUSTIFICACIÓN
En octubre del 2004 se inauguró la actual carretera Baños - Puyo, que constituye una de
las principales arterias viales entre la región sierra y oriente, sin embargo, la antigua vía
es muy transitada por sus atractivos turísticos, pero presenta varios inconvenientes, entre
ellos la inestabilidad de taludes, ocasionando desprendimientos muy frecuentes en los
meses de abril a julio, por ser los de mayor pluviosidad. Parte de la antigua vía, atraviesa
el macizo rocoso de la Unidad Agoyán, conformado por esquistos pelíticos y paragneis,
con denso fracturamiento. Debido a estos factores, existen taludes con pendientes
pronunciadas, ocasionado la inestabilidad de la vía e incrementando el riesgo de las
personas que transitan.
Específicamente, en el Km 7+000 de la antigua vía Baños-Puyo, es visible el fuerte
fracturamiento del macizo rocoso, por lo cual, es necesario realizar un análisis
geomecánico del talud, teniendo en cuenta que este se encuentra muy inclinado,
dificultando el acceso a las partes altas del mismo. En este caso es recomendable el uso
de UAVs livianos para caracterizar discontinuidades a escala de detalle.
Por lo expuesto anteriormente, se ha planteado como complemento al análisis
geomecánico del macizo rocoso de la Unidad Agoyán en el Km 7+000 de la antigua vía
Baños-Puyo, el uso de UAV-liviano con la finalidad de comparar las características de
las discontinuidades usando el método tradicional y técnicas fotogramétricas SFM.
3
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 General
Comparar medidas estructurales en discontinuidades, aplicando métodos tradicionales y
técnicas fotogramétricas con vehículos aéreos no tripulados (UAV-Liviano),
considerando como caso de estudio los esquistos del macizo rocoso de la U. Agoyán, en
el Km 7+000 de la antigua vía Baños-Puyo.
Específicos
Definir los sets de discontinuidades en el talud del macizo metamórfico de la U.
Agoyán, en el Km 7+000 de la antigua vía Baños-Puyo.
Caracterizar las discontinuidades en zonas accesibles de los taludes del macizo rocoso
de la U. Agoyán de la zona de estudio.
Extraer muestras de roca para ensayos de compresión simple y descripciones
macroscópicas.
Planificar las líneas de vuelo del UAV-liviano, para fotografiar el talud de la zona de
estudio.
Ubicar puntos de control (GCPs) en el talud, para corregir el geoposicionamiento y
disminuir el error de la georreferenciación y geometría.
Seleccionar y procesar fotogramas obtenidos con el UAV-liviano, para restitución
fotogramétrica en software especializado.
Comparar las características de las discontinuidades del macizo rocoso de la U.
Agoyán (orientación, espaciamiento, persistencia, abertura, rugosidad, tamaño de
bloques, RQD y RMR), colectadas en campo con los resultados de la restitución
fotogramétrica.
4
1.4 ALCANCE
La utilización de drones o UAVs, es de gran ayuda para el trabajo del ingeniero geólogo,
debido a que permite una visualización del terreno en zonas poco accesibles y mejora la
comprensión de fenómenos naturales, motivando a establecer una comparación entre
métodos tradicionales y no convencionales para mapeo de parámetros geomecánicos en
el talud km 7+000.
Los métodos tradicionales comprenden la caracterización del macizo rocoso, consideran
varios parámetros geomecánicos como: sets de discontinuidades, tamaño del bloque,
RQD, RMR, orientación, espaciamiento, persistencia, rugosidad, abertura y relleno,
mediante la evaluación de las discontinuidades que rijan en el talud de estudio.
El mecanismo no convencional se basará en técnicas fotogramétricas, mediante el uso del
UAV-liviano, definiendo la planificación del sobrevuelo, colocación de GCPs y
procesamiento en software fotogramétricos especializado. De esta manera se obtendrá la
restitución fotogramétrica para la caracterización de discontinuidades en los modelos 3D
de malla (*.ply o *.obj), en complemento con los modelos digitales de elevación (DEMs).
Principalmente se definirá la factibilidad del UAV-liviano en la investigación, como
también el resultado final del análisis geomecánico del talud.
1.5 UBICACIÓN DE LA ZONA DE ESTUDIO
La zona de estudio se localiza en las estribaciones orientales de la Cordillera Real
ecuatoriana, a 140Km de la ciudad de Quito y al este de la ciudad de Baños de Agua
Santa, en la provincia Tungurahua, específicamente en el Km 7+000 de la antigua vía
Baños-Puyo en la margen izquierda del río Pastaza. (Fig. 1)
6
2. MARCO TEÓRICO
2.1 LEYES Y REGLAMENTOS
A fin de precautelar la seguridad operacional, con el Art. 6, numeral 3, literal a) de la Ley
de Aviación Civil, publicada en el Registro Oficial N°S435, se determina: “Dictar,
reformar, derogar regulaciones técnicas, órdenes, reglamentos internos y disposiciones
complementarias de la Aviación Civil Internacional y las que sean necesarias para la
seguridad de vuelo, y la protección de la seguridad del transporte aéreo” (DAC, 2015)
Por tal razón, la Dirección General de Aviación Civil (DAC), mediante la Resolución N°
251/2015, estableció la reglamentación y los requisitos para la Operación de Sistemas de
Aeronaves Pilotadas a Distancia (RPAS) o Sistemas de Aeronaves No Tripuladas (UAS),
conocidos mundialmente como DRONES. (Tabla 1)
Tabla 1.
Leyes y Reglamentos del uso de UAVs
Art. 1 Operaciones en las cercanías de un aeródromo. – Se prohíbe la operación de las RPAS/UAS en espacios
aéreos controlados. La operación de las RPAS/UAS se mantendrá durante toda la duración del vuelo, a una
distancia igual o mayor a 9Km (5NM) de las proximidades de cualquier aeródromo o base aérea militar.
Art. 2 Altura máxima de vuelo. -La operación de las RPAS/UAS no excederá en ningún momento una altura
de vuelo de 400 pies (122m) sobre el terreno (AGL).
Art. 3 Horas de operación. – Las RPAS/UAS serán operadas solamente en las horas comprendidas entre la
salida y la puesta del sol; y en condiciones meteorológicas de vuelo visual (VMC), libre de nubes, neblina,
precipitación o cualquier otra condición que obstruya o pueda obstruir el contacto visual permanente con
RPAS/UAS.
Art. 4 Responsabilidad por la operación. – (a) La persona que opera los controles de las RPAS/UAS será
responsable por la operación general de la misma durante todo el vuelo, en forma solidaria con el explotador o
propietario de la aeronave.
Art.5 Integridad fisiológica del operador de una RPA. – Ninguna persona operará los controles de un
RPAS/UAS si: a) se encuentra fatigado, o si considera que pudiera sufrir los efectos de la fatiga durante la
operación; b) se encuentra bajo efecto de consumo de bebidas alcohólicas o de cualquier droga que pudiera afectar
sus facultades para operar los controles de manera segura.
7
Nota: Resolución N° 251/2015 de la Dirección General de Aviación Civil (DAC)
2.2 FOTOGRAMETRÍA
La fotogrametría se considera como un arte, ciencia y tecnología, que mediante
fotografías reconstruye cualquier objeto en el espacio, donde, se puede realizar
mediciones muy aproximadas de la realidad; concepto muy parejo al dictaminado por la
Sociedad Internacional de Fotogrametría y Teledetección (ISPRS). Para esta técnica es
indispensable la visión estereoscópica, debido a que permite la sensación de profundidad
a través de la intersección de pares fotográficos es decir observar dos imágenes enfocadas
desde distintos ángulos de un mismo objeto (Fig. 2).
Figura 2. Visión Estereoscópica desde los puntos Y´ y Y´´.
Fuente: (Gora, 2015)
Art.6 Funciones de automatización. – Si las RPAS/UAS tienen la capacidad de realizar vuelo automático, esta
función podrá ser utilizada solamente si le permite intervenir en cualquier momento para tomar control inmediato
de la aeronave.
Art.7 Limitaciones. – La persona que opera los controles de una RPAS/UAS es responsable por asegurarse que
la misma sea operada de acuerdo con las limitaciones operacionales establecidas por el fabricante.
Art. 8 Seguros. - El propietario o explotador de las RPAS/UAS está en la obligación de responder por los daños
causados a terceros, en caso sea necesario, para lo cual debe contratar la póliza de seguros de responsabilidad civil
legal a terceros, los montos mínimos establecidos para dispositivos de masa máxima de despegue (MTOW) de 02
a 25 Kg deben pagar a 3 000.00 dólares y para más de 25 Kg. es de 5 000.00 dólares.
8
La reconstrucción de objetos en el espacio como taludes o afloramientos es posible
mediante herramientas fotogramétricas a partir de algoritmos computacionales y técnicas
denominadas estructuras obtenidas de movimiento (SFM), que permiten obtener
Modelos Digitales de Elevación (DEM), mosaicos georeferenciados tridimensionales,
etc., (Vasuki, Holden, Kovesi, & Micklethwaite, 2013), (Fig. 3). De tal manera, se
obtiene información que se pueden emplear en visión por ordenador, para el análisis
estructural de discontinuidades en el talud del macizo rocoso.
Figura 3. Fotogramas de un UAV. Esquema que permite visión estereoscópica, con tres fotogramas (A, B,
C)
Estructura obtenida del Movimiento (SFM-Structure from motion)
Esta técnica aplica los mismos principios básicos de la fotogrametría estereoscópica, con
la peculiaridad de: no mantener fija la geometría de la escena, posiciones de la cámara y
orientación de la misma, puesto que se resuelve automáticamente sin la necesidad de
especificar a priori, una red de posiciones conocidas (Fig. 4). Por el contrario,
simultáneamente usa un procedimiento de ajuste de haz altamente redundante, iterativo y
basado en datos de características extraídas de un conjunto de múltiples imágenes
superpuestas. (Westoby, Brasington, Glasser, Hambrey, & Reynolds, 2012).
9
Figura 4. Estructura de Obtenida del Movimiento (SFM)
Las trayectorias de los elementos en cada una de las imágenes se utilizan para reconstruir
una posición en el espacio, permitiendo estimar las coordenadas del objeto y las
posiciones iniciales de la cámara. En la mayoría de los casos, la transformación de la
imagen SFM a coordenadas espaciales se puede lograr utilizando una similitud
tridimensional, basada en un mínimo número de puntos de control (GCP) con
coordenadas espaciales conocidas del objeto.
Nubes de puntos
La nube de puntos es un conjunto de vértices representado en un sistema de coordenadas,
que nacen a partir de la coincidencia de puntos identificados en los fotogramas del UAV-
liviano, mediante la fotogrametría moderna, (Viana, 2013). Tras un proceso de filtrado
es posible generar un modelo digital adaptado al diagrama de dispersión, obtenido a
través de técnicas de correspondencia y texturizando a alta resolución (Lerma, Cabrelles,
Navarro, & Seguí, 2013).
La cantidad de puntos en el espacio por unidad de área se define como densidad de la
nube de puntos, donde el límite está en función de la distancia desde el objeto al sensor
de imagen. En la Figura 5A, la nube escasa de puntos muestra bajo detalle, mientras que
en la Figura 5B catalogada como nube densa de puntos es evidente la nitidez del modelo
tridimensional, debido a que, en el procesamiento de las imágenes es más minucioso el
rastreo de los detalles.
10
Figura 5. A) Nube escasa de puntos y B) nube densa de puntos
Fuente: (Viana, 2013)
Puntos GCP
Son puntos GPS de control en tierra para corrección de geoposionamiento, la precisión
dependerá de la sofisticación tecnológica del equipo. Para facilitar la localización de los
GCPs en fotogramas, se utilizan marcas en el afloramiento de ser factible distribuidas
simétricamente. Además, la ubicación de los GCPs estará condicionada por el área y
geometría de la zona de estudio que según Kirby (2012), recomienda como mínimo 5
puntos de control.
Algoritmo modificado Ply2atti_ra
El algoritmo se lee en idioma programable Python y las características son definidas con
ayuda del software MeshLab. La aplicación se enmarca en obtener valores estructurales
de azimut de buzamiento y buzamiento de los planos de interés, a través de la verificación
de superficies en los macizos rocosos, siendo de gran ayuda para la obtención de datos
estructurales en los levantamientos geológicos y evaluaciones geomecánicas.
Equipos
UAVs/ Drone
Utilizado para obtener información de la superficie mediante fotografías
geoposicionadas. Debido a la versatilidad de vuelo se recomienda usar drones que no sean
de ala fija, como: cuatricópteros, hexacopteros u octacopteros, por incorporar el gimbal o
estabilizador de cámara que logra mejor enfoque y menor distorsión de los fotogramas en
el momento del vuelo. (Fig. 6.A)
11
Cámara
Dispositivo compacto incorporado al drone, que permite grabar videos en formato 4k de
hasta 30 fotogramas por segundo y tomar fotografías de 12 megapixeles, incluye un
sensor de 1/2.3 CMOS, lente FOV 94° 20mm, el rango ISO es de 100-3200 (video) y
100-1600(fotografía). La velocidad del obturador es de 8s a 1/800s y el tamaño máximo
de la imagen es de 4000x3000. (Fig. 6.B)
GPS Diferencial
Receptor de constelaciones satelitales R1 GNSS Trimble 2015 brinda información de
posicionamiento, compatible y programable con Smartphone. El equipo posee antena
GNSS L1/G1; con sistema GPS, GLONASS, Galileo, Beidou y QZSS, el cual trabaja
mediante el seguimiento paralelo de 44 canales y precisión de geoposicionamiento hasta
50cm. (Fig. 6.C).
Estación Total
Instrumento topográfico electro-óptico que incorpora laser, distanciómetro y
microprocesador a un teodolito electrónico. Utilizado para medir la posición de los puntos
GCP del talud de macizo rocoso (Fig. 6D).
Figura 6. Equipos para técnicas fotogramétricas: A) Drone- Phantom 3 Pro, B) Cámara, C)Trimble R1 y
D) Estación Total, Trimble DR
12
2.3 GEOMECÁNICA
Es la ciencia que estudia el comportamiento mecánico de los materiales de origen
geológico. Es el caso de macizos rocosos, conformados por un conjunto de bloques de
matriz rocosa que presenta un comportamiento heterogéneo y anisótropo ligado a su
fábrica y a la microestructura mineral (Gonzalez, L. 2002). Además, se distingue la
presencia de discontinuidades, definidas como superficies de debilidad que imparten a la
roca una condición de resistencia anisotrópica que afecta al medio rocoso (diaclasas,
planos de estratificación, falla, etc). (Gavilanes Jiménez & Andrade Haro, 2004).
Mecánicamente el macizo rocoso se caracteriza por el peso específico, resistencia y
deformabilidad. (Gonzalez, L.2002)
Resistencia a la Compresión Simple
Es el esfuerzo máximo que puede soportar un material (roca) expuesto a una carga sin
confinar, antes que se deforme o fracture (Tabla 2). La resistencia uniaxial como también
se la conoce se calcula dividiendo la carga máxima para el área transversal original de la
probeta en el ensayo de laboratorio, como se muestra a continuación.
𝜎𝑐 =𝐹𝑐
𝐴
Donde:
σc= Resistencia a la compresión simple [ MPa ]
Fc= Fuerza compresiva aplicada
A= Área de aplicación
Tabla 2.
Resistencia a la compresión simple
Descripción Resistencia a la compresión simple
Muy blanda 1 a 5 MPa
Blanda 5 a 25 MPa
Moderadamente dura 25 a 50 MPa
Dura 50 a 100 MPa
Muy Dura 100 a 250 MPa
Extremadamente dura > 250 MPa
Fuente: Gonzalez, 2002
El ensayo a la resistencia uniaxial se realiza bajo la norma NTE INEN 0488:09 2R, la
cual establece que la probeta de la roca debe ser cúbica de 50mm de arista.
13
Grado de meteorización del macizo rocoso
“EI grado de meteorización de la roca condiciona de forma definitiva sus propiedades
mecánicas. Según avanza el proceso de meteorización aumentan la porosidad,
permeabilidad y deformabilidad del material rocoso” (Gonzalez, 2002), por lo tanto, es
importante evaluar al macizo rocoso como un solo elemento (Gavilanes Jiménez &
Andrade Haro, 2004) (Tabla 3).
Tabla 3.
Descripción de la meteorización de la roca intacta.
Término Descripción
Fresco No aparecen signos de meteorización
Ligeramente meteorizada La decoloración indica alteración del material rocoso y de las
superficies de las discontinuidades.
Moderadamente meteorizada Decoloración evidente. Superficie moteada y alterada, llegando
incluso a presentarse por debajo de la superficie de la roca
Altamente meteorizada Decoloración total. La alteración de la roca se extiende por casi
todo el bloque o pieza considerada
Desintegrada La roca se ha meteorizado a la condición de un suelo
Fuente: (Gonzalez, L. 2002)
Tamaño de bloques
“El tamaño de los bloques que forman el macizo rocoso condiciona de forma definitiva
su comportamiento, propiedades resistentes y deformacionales. La dimensión y la forma
de los bloques están definidas por el número de familias de discontinuidades, orientación,
espaciado y continuidad”. (Gonzalez, L. 2002) (Tabla 4)
Tabla 4.
Grado de fracturación y descripción del tamaño de bloques
Descripción Jv
(discontinuidades/m3) Forma de bloques
Bloques considerablemente
grandes < 0.3
Bloques muy grandes 0.3 - 1
Bloques grandes 1 – 3
Bloques de tamaño medio 3 – 10
Bloques pequeños 10 – 30
Bloques muy pequeños 30 – 100
Bloques considerablemente
pequeños >100
Fuente: (Palmström, 1995)
14
Rock Quality Designation (RQD)
La calidad de la roca (RQD), se determina a partir del porcentaje de trozos de testigos
mayores a 10cm recuperados en un sondeo (Deere, 1967). Pero también se puede estimar
en afloramientos mediante relaciones establecidas por Palmström (1995).
𝑅𝑄𝐷 = 115 − 3.3 𝐽𝑣 ; si 𝐽𝑣 > 4.5 (Ec. 1)
𝑅𝑄𝐷 = 100 si 𝐽𝑣 ≤ 4.5 (Ec. 2)
𝐽𝑣 =𝑛° 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑐𝑜𝑛𝑡𝑖𝑛𝑢𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠
𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎 (Ec. 3)
Donde:
𝐽𝑣 = Índice
volumétrico de juntas
o número de juntas por
metro cúbico
Orientación
“La orientación de una discontinuidad en el espacio queda definida por la dirección de
buzamiento (dirección de la línea de máxima pendiente del plano de discontinuidad
respecto al norte) y por su buzamiento (inclinación respecto a la horizontal de dicha
línea). Su medida se realiza mediante la brújula” (Gonzalez, L. 2002) (Fig. 7).
Figura 7.Medida de la orientación de discontinuidades
Fuente: (Gonzalez, 2002)
Espaciamiento
Constituye la distancia perpendicular entre discontinuidades de un mismo set o familia.
Además, el espaciado de discontinuidades adyacentes controla el tamaño de los bloques
individuales del macizo rocoso. (Tabla 5)
15
Tabla 5.
Terminología para el Espaciamiento de discontinuidades
Descripción Espaciado (mm)
Extremadamente cerrado <20
Muy cerrado 20-60
Cerrado 60-200
Moderado 200-600
Espaciado 600-2000
Muy espaciado 2000-6000
Extremadamente espaciado >6000
Fuente: (Gavilanes Jiménez & Andrade Haro, 2004)
Persistencia
Es la extensión o tamaño de las discontinuidades, se puede cuantificar observando la
longitud de la traza en la superficie expuesta (Tabla 6).
Tabla 6.
Terminología para Persistencia o Continuidad de discontinuidades
Persistencia Longitud
(m) Diagrama
Muy baja
persistencia <1
Baja persistencia 1-3
Persistencia
media 3-10
Alta persistencia 10-20
Muy alta
persistencia >20
Fuente: (Gonzalez, 2002)
Rugosidad
Este parámetro hace referencia a la ondulación e irregularidades de las superficies de las
discontinuidades (Gonzalez, L. 2002). El diagrama para obtener el valor de JRC
(Coeficiente de Rugosidad de la disontinuidad) se muestra en la Figura 8A, en el cual se
toma en cuenta la mayor profundadidad del perfil obtenido mediante el rugosímetro
casero RA de 10cm de longitud, mismo que fue elaborado de acuerdo a la metodología
del peine de Barton, para la realización del equipo se necesitó fomix grueso (15x5cm) y
106 agujas (4m), colocadas consecutivamente (Fig. 8).
16
Figura 8. A) Diagrama para determinar JRC, B) Rugosímetro casero RA.
Abertura
Es la distancia perpendicular que separa las paredes de la discontinuidad cuando no existe
relleno. Este parámetro puede ser muy variable en diferentes zonas de un mismo macizo
rocoso, es así que, en superficie la abertura puede ser muy ancha y conforme se
incrementa la profundidad puede llegar a cerrarse (Tabla 7).
Tabla 7.
Terminología para Abertura de discontinuidades
Descripción Abertura
Muy cerrada < 0.1 mm
Cerrada 0.10 a 0.25 mm
Parcialmente abierta 0.25 a 0.50 mm
Abierta 0.50 a 2.50 mm
Moderadamente ancha 2.50 a 10 mm
Ancha 10 mm
Muy ancha 1 a 10 cm
Extremadamente ancha 10 a 100 cm
Cavernosa >1 m
Fuente: (Gavilanes Jiménez & Andrade Haro, 2004)
17
Relleno
Existe gran variedad de materiales de relleno con propiedades físicas y mecánicas muy
variables. “Las discontinuidades pueden estar rellenas del mismo material de las paredes
del macizo rocoso o de materiales de distinta naturaleza” (González, 2002). Cabe recalcar
que la presencia de relleno gobierna el comportamiento mecánico de la discontinuidad
(Tabla 8).
Tabla 8.
Tipo de Relleno
Tipo de relleno Tamaño
Ninguno -
Duro < 5 mm
Duro > 5 mm
Blando < 5 mm
Blando > 5 mm
Fuente: (Gavilanes Jiménez & Andrade Haro, 2004)
Filtración de agua
El agua en el interior de un macizo rocoso procede generalmente del agua subterránea
donde el flujo circula por las discontinuidades, ejerciendo presión en las paredes de las
diaclasas ampliando las fracturas en la roca (permeabilidad secundaria) (Tabla 9).
Tabla 9.
Descripción de filtraciones en discontinuidades
Clase Discontinuidades sin relleno Discontinuidades con relleno
I Junta muy plana y cerrada. Aparece seca y
no parece posible que circule agua.
Relleno muy consolidado a seco. No es posible
el flujo de agua.
II Junta seca sin evidencia de agua. Relleno húmedo, pero sin agua libre.
III Junta seca, pero con evidencia de haber
circulado agua.
Relleno mojado con goteo ocasional.
IV Junta húmeda, pero sin agua libre. Relleno que muestra señales de lavado, flujo de
agua continuo (estimar caudal en 1/min).
V Junta con rezume, ocasionalmente goteo,
pero sin flujo continuo.
Relleno localmente lavado, flujo considerable
según canales preferentes (estimar caudal y
presión).
VI Junta con flujo continuo de agua (estimar el
caudal en 1/min y la presión).
Rellenos completamente lavados, presiones de
agua elevados.
Fuente: (Gonzalez, 2002)
18
Calidad del macizo rocoso por el método de Bieniawski (RMR)
El Rock Mass Rating (RMR) desarrollado por Bieniawski (1973), constituye un sistema
de clasificación de macizos rocosos, que permite a su vez relacionar índices de calidad
con parámetros geotécnicos, tales como: resistencia uniaxial de la matriz rocosa, RQD,
espaciamiento, persistencia, condiciones hidrogeológicas y orientación de las
discontinuidades.
La ponderación de cada uno de los parámetros fue definida por el autor, donde el valor
máximo para la roca intacta es de 15, RQD de 20, separación entre discontinuidades (20),
condiciones de las juntas (30) y agua subterránea (15). La ponderación para cada
característica se presenta en la tabla 10.
Tabla 10.
Valores del RMR (Bieniawski, 1979)
PARÁMETROS INTERVALO DE VALORES
Resistencia de la roca
intacta a compresión
simple
(MPa)
> 250
250
a
100
100
a
50
50
a
25
25
a
5
5
a
1
<
1
Valoración 15 12 7 4 2 1 0
RQD
100%
a
90%
90%
a
75%
75%
a
50%
50%
a
25%
<25%
Valoración 20 17 13 8 3
Separación entre
juntas
(mm)
> 2000
2000
a
600
600
a
200
200
a
60
<60
Valoración 20 15 10 8 5
Persistencia
(m) <1 1-3 3-10 10-20 >20
Valoración 6 4 2 1 0
Abertura (mm) Ninguna <0.1 0.1-1.0 1-5 >5
Valoración 6 5 4 1 0
Rugosidad Muy
rugosa Rugosa
Ligeramente
rugosa Lisa
Superficies
pulidas
Valoración 6 5 3 1 0
Relleno Ninguno Duro <5mm Duro >5mm Blando
<5mm Blanda>5mm
Valoración 6 4 2 2 0
19
Meteorización Inalterada Ligeramente
meteorizada
Moderadam
ente
meteorizada
Altamente
meteorizada Descompuesta
Valoración 6 5 3 1 0
Flujo de agua en las
juntas Secas Húmedo Mojado Goteando Fluyendo
Valoración 15 10 7 4 0
CLASIFICACIÓN DEL MACIZO ROCOSO SEGÚN RMR
Clase I II III IV V
Calidad Muy buena Buena Regular Mala Muy mala
Puntuación 100 - 81 80 - 61 60 - 41 40 - 21 <20
Fuente: http:/www.stmr.es/
METODOLOGÍA DE MAPEO GEOMECÁNICO
La presente investigación consiste en el mapeo geomecánico comparando los métodos
tradicionales y no convencionales, mediante técnicas fotogramétricas a partir del empleo
de UAVs- livianos (Fig. 9), desarrollándose en tres etapas:
Primera etapa
Recopilación y depuración de información bibliográfica disponible de la zona de interés.
Segunda etapa
Mapeo en campo, se realizan medidas de parámetros geomecánicos de las
discontinuidades, colocación puntos GCPs, planificación y ejecución del sobrevuelo con
UAV para los obtener los fotogramas geoposicionados del talud de estudio.
Tercera etapa
Generación y corrección del modelo tridimensional del cual se extraen medidas de
parámetros geomecánicos de las discontinuidades los cuales son medibles en el software
fotogramétrico (Agisoft PhotoScan) en ordenador en ordenador, a fin de compararlas con
las evaluadas en el campo.
21
CONTEXTO GEOLÓGICO
En Ecuador el basamento de la Cordillera Real es Precámbrico, conformado por rocas
continentales y oceánicas, que han sufrido eventos de metamorfismo. Estas están
sobreyacidas por cinturones sublineales alargados de edad Paleozoico-Cretácico Inferior
de rocas metamórficas, intruidas por granitoides tipo S e I. (Litherland, Aspen, &
Jemielita, 1994). Estas rocas metamórficas han sido afectadas por una sucesión de eventos
tectónicos y magmáticos desde el Mesozoico hasta el Cuaternario (Fig. 10). Según
(Aspden & Litherland, 1992) la Cordillera Real se subdividide en cinco terrenos
litotectónicos, los cuales se cree están separados por importantes fallas regionales de
dirección preferencial norte-sur.
Los terrenos litotectónicos se localizan de oeste a este y se definen como: Guamote, Alao,
Loja, Salado y Zamora, donde los límites tectónicos entre estas unidades son: Falla
Peltetec, Frente Baños, Falla Llanganates y Falla Cosanga-Méndez.
División Loja
De edad paleozoica se presenta en forma de una gran faja metamórfica alargada limitada
por las fallas Frente Baños al Oeste y Llanganates al Este. Litológicamente se constituye
de rocas metamórficas de medio a alto grado, caracterizada por las unidades: Sabanilla,
Chigüinda, Monte Olivo, Tres Lagunas y Agoyán. (Litherland, Aspen, & Jemielita, 1994)
(Fig. 10).
Unidad Agoyán
Definida por Litherland (1994), en base a descripciones petrográficas iniciales realizadas
por Sauer (1965), esta unidad comprende rocas metamórficas de grado bajo a medio,
caracterizada por una secuencia de esquistos sericíticos, cuarzo sericíticos y biotíticos.
Mineralógicamente presenta sericita, biotita, cuarzo, grafito y clorita; atribuyéndole a la
facie de esquistos verdes, cuyo protolito es pelítico (Fig. 10). Además, se observan
estructuras foliadas con texturas esquistosas y deformaciones tipo S1 y S2.
Las edades radiométricas K/Ar varían del Precámbrico al Cretácico tardío, aunque se
asume pertenece al Paleozoico.
22
Figura 10. Mapa Geológico
Fuente:(Litherland, Aspen, & Jemielita, 1994)
Geomorfología
La zona de estudio se ubica en la Región Sierra, en las estribaciones orientales de la
Cordillera Real. La altura oscila entre 4960 m.s.n.m., en el cráter del Volcán Tungurahua
y 1200 m.s.n.m, en los valles. El clima es cálido húmedo, donde las altas precipitaciones
se incrementan en los meses de mayo a julio.
Existe predominio de pendientes abruptas a moderadas, dando como resultado una
topografía irregular, dominando un sistema montañoso pronunciado conformado
principalmente de rocas metamórficas (esquistos y paragneis) con crestas agudas
características de relieves interandinos (Fig. 11).
23
El patrón de drenaje es sub paralelo, siendo su principal afluente el Río Pastaza que corre
en dirección oeste-este, y los drenajes secundarios y quebradas coinciden con la foliación
de las rocas en sentido norte-sur (Río Blanco, Río Verde y Río Corazón).
Figura 11. Mapa de Geomorfológico
Fuente: (ORSTOM, 1982)
24
3. PRESENTACIÓN DE INFORMACIÓN
GEOLOGÍA LOCAL
En el Km 7+000 de la antigua vía Baños- Puyo (Fig. 12a), aflora el macizo metamórfico
de la U. Agoyán, compuesto por esquistos cuarzo-sericíticos de color gris claro con
textura foliada, atribuidos a la facie de esquistos verdes. Los minerales principales son
cuarzo, sericíta y granate en bajo porcentaje, además los minerales ferromagnecianos se
encuentran cloritizados. El protolito corresponde a rocas pelíticas cuarzo feldespáticas
expuesta a un metamorfismo de grado medio. Debido a las características que presenta el
macizo rocoso se lo asocia a una edad palezoica (dataciones de K/Ar 417 Ma). La
foliación presenta dirección preferencial norte-sur influenciada por un metamorfismo
regional que rige en la zona (Fig. 12b).
a
b
Figura 12. Talud de estudio, a) afloramiento en la antigua vía Baños-Puyo Km 7+000, b) muestra de
esquisto cuarzo-sericítico
3.2 MAPEO GEOMECÁNICO DE MACIZOS ROCOSOS (MÉTODO
TRADICIONAL)
El macizo metamórfico del Km 7+000 se encuentra afectado por discontinuidades, tales
como fracturas y planos de foliación, originando bloques de diferente tamaño y grado de
alteración a lo largo del talud. Por lo tanto, para realizar la evaluación geomecánica
detallada en la zona de estudio se dividió el afloramiento en tres partes (oeste, centro y
25
este) correspondientes al grado de fracturamiento y geometría del macizo rocoso.
(Fig.13).
Figura 13. Afloramiento divido en tres zonas por el grado de fracturamiento.
La caracterización geomecánica del macizo rocoso de la U. Agoyán, permite estimar el
comportamiento del mismo, deduciendo la posible afectación a las poblaciones aledañas,
así como a transeúntes que frecuentan la antigua vía.
Resistencia a la Compresión simple
Una vez evaluado el talud se tomó una muestra representativa, que fue sometida al ensayo
de comprensión uniaxial, para lo cual primeramente fue tallada en un cubo de arista de
5cm con superficies pulidas y untadas con grasa. La muestra preparada fue ensayada en
una prensa hidráulica de 60ton. (Fig. 14)
Figura 14. Ensayo a la compresión simple en el Departamento de Ensayo de Materiales y Modelos de la
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad Central del Ecuador, 2016.
26
Los resultados del ensayo indican que la muestra de esquisto cuarzo sericítico soportó
una carga de 135.5 KN, dando como resultado un esfuerzo (σ) de 54.20MPa. Catalogando
a la roca como dura según González L., (2002).
Sets de discontinuidades (orientación)
En el talud de interés se evaluó el azimut de buzamiento y buzamiento de 241 planos de
discontinuidades, presentando foliación tectónica con dirección norte-sur, buzando al este
y oeste (67/68 y 245/70). Además, luego del análisis estereográfico se determinó la
presencia de dos familias de fracturas J2=340/63 y J3=170/65. La familia J1 de valores
estructurales (67/68) predomina en la zona oeste, J1 y J3 en la zona centro, mientras tanto
la familia J2 y J1(245/70) en la zona este. (Tabla 11)
Tabla 11.
Familias o set de discontinuidades identificadas en el talud del Km 7+000
Sets de
discontinuidades
Azimut de
buzamiento Buzamiento Diagramas
J1
(foliación)
67°
245°
68°
70°
J2
(contrapendiente)
340°
63°
J3
(pendiente)
170°
65°
Grado de meteorización
Se constató que en general el talud se encuentra ligeramente meteorizado, la zona central
solamente presenta tonalidades rojizas por oxidación de sulfuros, a diferencia de las zonas
oeste y este el macizo rocoso presenta decoloración en las paredes (Fig. 15).
27
Figura 15. Grado de meteorización del talud de estudio, A) Oxidación de la roca, B) Decoloración por
influencia de agentes físicos (principalmente el agua)
Tamaño de bloques
En el talud más del 50% de los bloques son de tamaño pequeño de 10-30
discontinuidades/m3, caracterizados por el Jv. Para la zona oeste Jv=9, la zona centro (23)
y en la zona este 15 discontinuidades/m3. Adicionalmente, en las observaciones de campo
se evidenció bloques de formas romboédricas (Fig.16).
Figura 16. Histograma del Tamaño de bloques en el talud de estudio y valoración en campo de Jv en la
parte central del afloramiento.
28
Índice de calidad de la roca (RQD)
Mediante la fórmula propuesta por (Palmström, 1995), se determinó que la calidad del
macizo rocoso en el afloramiento varía de mala a media. El RQD en la zona oeste es de
85% (buena), en la zona central 39% (mala) y 65% (media) para la zona este (Fig. 17).
Figura 17. Histograma del RQD y evaluación del RQD en campo.
Espaciamiento
Al caracterizar el espaciamiento entre discontinuidades en el talud, se definió que varía
entre moderado (200-600mm) y cerrado (60-200mm), predominando valores entre
300mm a 340mm en la zona oeste y este, debido a la influencia predominante de la familia
J1 a diferencia de la zona centro que presenta valores de 170mm asociados a la familia J2
(Fig. 18).
Figura 18. Histograma de espaciamiento entre discontinuidades y valoración en campo
29
Persistencia
En el afloramiento más del 50% de las mediciones realizadas a las 3 familias de
discontinuidades corresponden a una baja persistencia (1-3m) y en menor porcentaje
valores entre 3 y 5m para las tres zonas (Fig. 19).
Figura 19. Histograma de persistencia entre discontinuidades y valoración en campo
Rugosidad
El rugosímetro casero RA de 10cm de longitud, permitió obtener perfiles de la rugosidad
de los planos de las discontinuidades, la profundidad máxima para la zona oeste y central
en las tres familias los valores oscilan entre 6 y 9mm equivalente a un JRC= 20, a
diferencia de la zona este donde la familia J1 presenta valores de 4mm equivalente a un
JRC=16. Por lo tanto, las discontinuidades en el talud se presentan muy rugosas (Fig. 20).
Figura 20. Histograma de JRC y perfil de rugosidad obtenido en campo.
30
Abertura
La abertura se presenta uniforme en las tres zonas del talud, mostrando en la distribución
de frecuencias más del 50% de los datos valores entre 3 - 5mm correspondientes a una
abertura moderadamente ancha para las familias J1 y J3. A diferencia de la familia J2 que
predominan valores de 10mm correspondiente a una abertura ancha (Fig. 21).
Figura 21. Histograma de abertura entre discontinuidades y medición en campo.
Filtraciones de Agua
El afloramiento en general muestra señales de humedad principalmente en las zonas oeste
y este, presentando incluso goteo afectando mayormente a la zona este. Sin embargo, en
la parte inferior de la zona central es visiblemente seca (Fig. 22).
. Figura 22. Filtración de Agua en el talud
31
Relleno
En el talud de estudio entre las paredes de las discontinuidades no se evidenció ningún
tipo de relleno.
Calidad del macizo rocoso (RMR)
Luego de analizar el talud en cada una de las zonas, se determinó que en la zona oeste la
ponderación alcanza 61 puntos catalogada como bueno, a diferencia de la zona este y
central catalogadas como regular (51-56 puntos respectivamente). La tabla 12
corresponde al RMR propuesto por Bieniawski (1973), donde se detalla cada uno de los
parámetros geomecánicos para cada zona del talud.
Tabla 12.
RMR del macizo rocoso de la U. Agoyán
OESTE CENTRO ESTE
Resistencia de la roca intacta a
compresión simple (Mpa) 54 54 54
Valoración 7 7 7
RQD
(%) 85 45 65
Valoración 17 8 13
Separación entre juntas
(mm) 300 170 340
Valoración 10 8 10
Persistencia
(m) 5 4 3
Valoración 2 2 2
Abertura
(mm) 3 4 2
Valoración 1 1 1
Rugosidad Muy Rugosa Muy Rugosa Ligeramente Rugosa
Valoración 6 6 3
Relleno Ninguno Ninguno Ninguno
Valoración 6 6 6
Meteorización Ligeramente
meteorizado
Moderadamente
meteorizado
Ligeramente
Meteorizado
Valoración 5 3 5
Flujo de agua en las juntas Mojado Seco Goteando
Valoración 7 15 4
RESULTADO 61 56 51
CALIDAD BUENO REGULAR REGULAR
32
MAPEO GEOMECÁNICO CON UAV-LIVIANOS (MÉTODOS NO
TRADICIONALES)
Restitución fotogramétrica
En la evaluación del macizo rocoso por procesos fotogramétricos fue necesario en
primera instancia marcar dos puntos de apoyo en el suelo; A= 9845386.699 N;
793999.071 E y B= 9845381.975 N; 793991.363 E (referencia), con el propósito de
establecer la posición de la estación total. Los puntos GCPs se distribuyeron en todo el
talud para determinar la posición espacial de los mismo y para realizar las correcciones
de geoposicionamento y geometría (Fig. 23).
Figura 23. Colocación de GCPs en el Afloramiento
Para despegar y aterrizar el UAV-liviano se ubicó una zona libre de obstáculos y
consecuentemente se configuró la altura de 50m, a la cual debe alcanzar el equipo en caso
de pérdida de señal para un retorno seguro. Una vez que el drone despegó, el sobrevuelo
se ejecutó de forma manual debido al fuerte viento, realizando 9 líneas de vuelo en las
cuales se plasmaron 342 fotogramas entre sub- verticales y horizontales. Posteriormente,
en ordenador se generó el modelo digital de elevación texturizado.
33
Modelo tridimensional del macizo rocoso U. Agoyán
Para la generación del modelo tridimensional se seleccionaron 317 fotogramas,
ingresados en el software de reconstrucción fotogramétrica Agisoft PhotoScan en un
proceso que tardó 4.17 horas. Posteriormente, se ubicaron en ordenador los GCPs para
realizar la corrección de geoposionamiento (Fig. 24).
Figura 24. Modelo digital tridimensional
En la evaluación geomecánica de las discontinuidades fue necesario la utilización de los
software: ArcMap 10.3, MeshLab y Agisoft PhotoScan. Todo el análisis se realizó sobre
la ortofotografía, DEM obtenidos por fotogrametría y modelos de elevación digital
texturizados.
Set de discontinuidades (Orientación)
Para definir los planos de discontinuidades se utilizó el software AGISOFT
PHOTOSCAN, el cual permite trazar polígonos alrededor de la superficie de las
34
diaclasas, para posteriormente con la ayuda del software ArcMap 10.3 generar mapas de
pendientes y de aspecto, con el propósito de obtener el azimut de buzamiento y el
buzamiento respectivamente de cada uno de los planos identificados (Fig. 25).
Figura 25. Planos de discontinuidades definidos en el talud
En total se localizaron 428 planos en el talud, de estos 159 corresponde a la foliación J1
(67/70, 245/68), 35 planos a la familia J2 (340/63) y 234 a la familia J3 (170/65). La
figura 38, ejemplifica el proceso de identificación de los planos en software Agisoft
PhotoScan se detalla en el ANEXO 3 (Fig. 26).
A
b
c
Figura 26. a) Delimitación de planos en el software Agisoft Photoscan, b) extracción de los valores de
buzamiento de los planos del mapa de pendientes y c) extracción de los valores de azimut de buzamiento
de los planos.
Para los planos de la familia J2 (340/63) fue necesario realizar un proceso adicional para
obtener valores de orientación, debido a no ser factible medirlos directamente por
encontrarse a contrapendiente, para lo cual se utilizó el software MeshLab que permitió
pintar cada plano como se observa en la figura 27.
35
Por ejemplo, el plano 1_c (área = 6.5m2) y el plano 2_c (área = 1.92m2) fueron pintados
de color verde (RGB 0, 255, 0), para posteriormente ingresar los valores de RGB en
idioma Python al algoritmo modificado PLY2ATTI_RA (Anexo 4), el cual genera las
medidas de orientación de cada plano. En este caso del plano1_c el valor es: 351/59 y el
plano2_c es 300/67.
Figura 27. En el tramo 3 se visualiza claramente 2 planos a contrapendiente: plano1_c el valor es: 351/59
y el plano2_c es 300/67
Para la corroboración de la información expuesta se compararon 66 datos estructurales
de los planos de las discontinuidades en campo y en ordenador. La tabla 13 muestra
ejemplos de valores de buzamiento y azimut de buzamiento de 4 planos a contrapendiente
representativos en el talud del Km 7+000.
Tabla 13.
Valores de buzamiento y Azimut buzamiento
Superficie Valor promedio Buzamiento Valor promedio Azimut de buzamiento
Plano 1 47.11 138.09
Plano 2 68.63 194.43
Plano 3 70.61 179.02
Plano 4 41.24 197.64
36
Tamaño de bloque
En el análisis del talud se identificó en el software que la mayoría de los bloques son
romboédricos y el tamaño varía entre medio (3-10 n°dis/m3) y pequeño (10-30 n° dis/m3),
evidenciando así, que en la zona oeste el Jv promedio es 12 discontinuidades/m3, en la
zona central es de 27 d/m3 y en la zona este el Jv= 16 n° d/m3 (Fig. 28).
Figura 28. Histograma del tamaño de bloque y medición en software
Índice de calidad de la roca (RQD)
Utilizando la fórmula propuesta por (Palmström, 1995), se determinó que en la zona oeste
el RQD es 75% (buena), en la zona central 25% (mala) y en la zona este de 62% (media)
(Fig.29).
Figura 29. Histograma de RQD y medición en software
Espaciamiento
Las tres familias de discontinuidades (J1, J2 y J3) tienen espaciamiento cerrado (60 a
200mm). Para las zonas oeste y este los valores varían de 190mm a 220mm, a diferencia
37
de la zona central que presenta un espaciamiento de 85mm. El talud también muestra
valores mayores de 2-6m, pero son menos frecuente en la parte superior oeste (Fig. 30).
Figura 30. Histograma de espaciamiento entre discontinuidades y medición en software
Persistencia
En el talud predomina una persistencia media para las tres familias. En la zona oeste
presenta mayormente valores entre 3-5m, en la zona central 2-6m y en la zona este 1.9m
(Fig. 31).
Figura 31. Histograma de persistencia de discontinuidades y medición en software
Rugosidad
Para evaluar la rugosidad en las superficies de las discontinuidades en ordenador, fue
necesario en campo realizar sobrevuelos más cercanos al talud, con el propósito de
mejorar la resolución. En los modelos tridimensionales talud, se trazaron perfiles en el
software fotogramétrico de 10cm de longitud en cada plano, midiendo la mayor
profundidad de la rugosidad a fin de determinar el JRC. Obteniendo un JRC=20 en más
del 50% de los planos evaluados para las tres familias (Fig. 32).
38
Figura 32. Histograma de JRC y medición en software
Calidad del macizo rocoso RMR (drones)
Para determinar la calidad del macizo rocoso se consideró el mismo valor de resistencia
a la compresión simple y abertura de las diaclasas de los métodos tradicionales, debido a
que estos parámetros no pueden ser evaluado por técnicas fotogramétricas.
Mediante el análisis realizado en la tabla Bieniawski (1973), se obtuvo ponderaciones
similares para las tres zonas del talud, variando entre 57-51 puntos. Catalogando al
macizo rocoso como regular. La tabla 14 corresponde al RMR propuesto por Bieniawski
(1973), donde se detalla cada uno de los parámetros geomecánicos para cada zona del
talud.
Tabla 14.
RMR del macizo rocoso de la U. Agoyán
OESTE CENTRO ESTE
Resistencia de la roca intacta a
compresión simple (Mpa) 54 54 54
Valoración 7 7 7
RQD
(%) 75 25 62
Valoración 13 3 13
Separación entre juntas
(mm) 210 85 190
Valoración 10 5 8
Persistencia
(m) 4 5 2
Valoración 2 2 4
Abertura
(mm) 3 4 2
Valoración 1 1 1
39
Rugosidad Muy Rugosa Muy Rugosa Muy Rugosa
Valoración 6 6 6
Relleno Ninguno Ninguno Ninguno
Valoración 6 6 6
Meteorización Ligeramente
meteorizado
Moderadamente
meteorizado
Ligeramente
Meteorizado
Valoración 5 3 5
Flujo de agua en las juntas Mojado Seco Goteando
Valoración 7 15 4
RESULTADO 57 56 54
CALIDAD REGULAR REGULAR REGULAR
40
4. COMPARACIÓN Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
El método propuesto ha evidenciado eficientemente que la aplicación de la fotogrametría
con el uso de drones, permite realizar estudios de geomecánica, evaluando varias
características de los planos de discontinuidades (tamaño y forma del bloque, RQD,
espaciamiento, persistencia y rugosidad).
El solapamiento de fotogramas que arrojó mejores resultados fue del 80%, en el caso de
taludes, mientras tanto para geoposicionar la zona de estudio es conveniente utilizar tanto;
las coordenadas del GPS del drone, como puntos GCPs adquiridos mediante estación
total, donde el error de corrección geométrica varía en el rango de 2 – 10 milímetros.
La orientación de las discontinuidades (azimut de buzamiento y buzamiento) se obtuvo
del modelo de elevación texturizado, excepto en las diaclasas con inclinación a
contrapendiente, ya que ningún programa SIG o CAD procesa este tipo de información.
Para solucionar este problema, el DEM del talud se lo dividió en varias secciones,
exportándolas en formato (.obj) para ser visualizadas en el software MeshLab. El
resultado obtenido permitió generar superficies de aspecto y pendiente en cada sección y,
por ende, determinar la dirección de buzamiento y buzamiento para estas diaclasas.
La comparación de datos estructurales (campo vs software) fue realizada con 66 planos
de discontinuidades, obteniendo errores promedio de ±6° de azimut de buzamiento y ±8°
de buzamiento, con coeficientes de correlación (R) de 0.99 y 0.89 respectivamente (Fig.
33). Además, el índice de calidad de la roca (RQD) es similar con los dos métodos,
variando de mala (25 a 39%) a media (62 a 65%) en la mayor parte del talud.
41
A
b
Figura 33. Datos estructurales de campo vs software del: a) azimut de buzamiento y b) buzamiento.
Los bloques de roca presentan formas romboédricas y en menor proporción primaticos,
donde el tamaño está relacionado con el índice volumétrico de juntas (Jv) el cual oscila
entre 10-30 juntas/m3 (medida efectuada en campo); y 3-10 juntas/m3 a 10-30 juntas/m3
(medida efectuada en la ortofotografía). A pesar de la coincidencia del tamaño por los
dos métodos, se considera a la evaluación en ordenador tiene una visión más amplia del
talud a diferencia del método tradicional que es puntualizado y solamente en las zonas
accesibles.
Al comparar los métodos de mapeo para cada familia de discontinuidades se observó
diferentes resultados, los mismos que se describen a continuación:
4.1 Familia J1
La familia J1 considerada el set principal (mayor ocurrencia), presentó variaciones entre
los dos métodos de mapeo de ±5° y ±3° para azimut de buzamiento y buzamiento
respectivamente. Con respecto al espaciamiento entre diaclasas, las medidas realizadas
en campo presentan distancias que oscilan entre 300 a 340mm (moderado), y de 190mm
correspondiente a espaciamiento cerrado, obtenido del DEM. Así también, la persistencia
difiere en los dos métodos; 2.5m en medidas realizadas en el campo y 3m en la
ortofotografía. La rugosidad tiene concordancia total en los dos métodos de mapeo,
presentando un JRC de 20. Finalmente, la abertura es moderadamente ancha (3-5mm) y
solo pudo ser medida a través del mapeo tradicional debido a la baja resolución de los
42
fotogramas. La tabla 15 muestra la comparación de parámetros geomecánicos para la
familia J1.
Tabla 15.
Comparación de parámetros geomecánicas de J1
Parámetro Campo Software
Azimut de Buz/ Bz
67/70° 71/73°
245/68° 250/66°
Espaciamiento (m) Moderado Cerrado
Persistencia (m) Baja Media
Abertura (mm) Moderadamente ancha No es visible
Rugosidad (JRC) 20 20
4.2 Familia J2
Denominada como familia a contrapendiente por encontrarse buzando ortogonalmente a
la cara del talud, la cual, al comparar los métodos de mapeo se obtuvo un valor de azimut
de buzamiento (340) coincidente, mientras que el buzamiento varía en ±2°. El
espaciamiento en los dos casos es cerrado con valores entre 85-170mm, por el contrario,
la persistencia medida en campo es baja (2.9m) y en el modelo es media (3.2m). En el
talud la medida más frecuente de abertura fue de 10mm definida como ancha, en el
modelo fue imposible medirlo por baja resolución de los fotogramas. La rugosidad
concuerda perfectamente para los dos métodos, obteniendo un valor de JRC=20. En la
tabla 16 se presenta la comparación de parámetros geomecánicos medidos en campo y
los obtenidos sobre la ortofotografía.
Tabla 16.
Comparación de parámetros geomecánicas de la Familia J2
Parámetro Campo Software
Azimut de Buz/ Bz 340/63 340/65
Espaciamiento (m) Cerrado Cerrado
Persistencia (m) Baja Media
Abertura (mm) Ancha No es visible
Rugosidad (JRC) 20 20
4.3 Familia J3
La orientación del set J3 es 170/65, la cual al comparar los métodos de mapeo se
determinó que la diferencia de azimut de buzamiento es ±5° y el buzamiento es apenas
de ±1°. El espaciamiento y persistencia en los dos métodos difiere; en campo se observó
43
espaciamiento moderado (300mm) y persistencia baja (1.7-2.9m), entre tanto, en el
modelo el espaciamiento es cerrado (210mm) y la persistencia media (3.02m). La abertura
es moderadamente ancha (4-5mm) y al igual que en las familias anteriores solamente
puede ser evaluada directamente en el campo. El índice de rugosidad (JRC) definido con
los dos métodos es 20. En tabla 17 se comparó los parámetros geomecánicos medidos
directamente y los obtenidos mediante software.
Tabla 17.
Comparación de parámetros geomecánicas de la Familia J3
Parámetro Campo Software
Azimut de Buz/ Bz 170/65 175/66
Espaciamiento (m) Moderado Cerrado
Persistencia (m) Baja Media
Abertura (mm) Moderadamente ancha No es visible
Rugosidad (JRC) 20 20
La abertura como se indicó en cada familia, no fue posible medirla sobre la ortofotografía,
debido a que el tamaño del pixel es >4mm, es decir, fue necesario adquirir fotogramas de
mayor resolución para evaluar este parámetro.
Para comparar el RMR del talud con el RMR del modelo, se conserva los valores de
resistencia a la compresión simple (54 MPa), abertura de las paredes de las juntas (zona
oeste=3mm, zona central =4mm, zona este=2), no existe relleno en ninguna de las tres
zonas, la meteorización en la zona oeste y este se encuentra ligeramente meteorizada y en
la zona central moderadamente meteorizado. Además, la condición de agua en las
diaclasas se presenta mojado en la zona oeste, seca en la zona central y con goteo hacia
el este. Estos parámetros difícilmente pueden ser evaluados en el ordenador debido a que
solamente son apreciables en campo.
Empleando el método tradicional para el RMR, se catalogó a la zona oeste como buena,
debido a la ponderación de 61 puntos a diferencia de la zona centro y este catalogado
como regular con valores de 56 y 51 puntos respectivamente. Mientras en ordenador se
determinó al macizo rocoso como regular con ponderaciones entre 51 a 57 puntos en las
tres zonas. Por lo tanto, existe concordancia entre los dos métodos, aduciendo que el
índice de calidad el macizo rocoso es regular para el talud de estudio.
44
Análisis de la posible rotura plana
Luego de definir los parámetros geomecánicos aplicando las dos metodologías, es
importante tener claro el comportamiento cinemático del macizo rocoso evidenciando así
que la familia J3 produce falla plana con respecto a la cara del talud (Fig. 34).
Figura 34. Análisis cinemático de falla plana para la familia J3
Análisis de la posible rotura en cuña
De la misma manera el análisis cinemático para la falla en cuña, muestra que las
direcciones de intersección de las juntas (IJ1aJ3 e IJ1bJ3) están diagonales con respecto a la
dirección de la cara del talud, por lo tanto, no genera inestabilidad por encontrarse dentro
de la zona de seguridad definida por el cono de fricción (circunferencia en azul) (Φ=27)
Fig. 35.
Figura 35. Análisis cinemático de falla en cuña para cada familia.
45
En el análisis cinemático para la rotura por volteo arrojó resultados positivos cumpliendo
las condiciones establecidas por (Ramírez & Monge, 2004), donde: (90- Ψp) < (Ψf - Φ);
αp = (αf + 180 ) + 20 y el polo J2 se ubica en el área de mecanismo rotura, limita por +
20° con respecto a la dirección de la cara del talud y al ángulo de fricción de 27° para
esquistos (Suárez, 2016) (Fig. 36).
Figura 36. Análisis cinemático de rotura por volteo para la familia J2.
46
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 CONCLUSIONES DE LA COMPARACIÓN GEOMÉCANICA DEL RMR
CON RESPECTO A LAS TÉCNICAS FOTOGRAMÉTRICAS MEDIANTE
UAVS.
El resultado de la comparación entre métodos tradicionales y técnicas fotogramétricas en
el talud de esquistos cuarzo sericíticos de la U. Agoyán en el Km 7+000 de la antigua vía
Baños-Puyo, presenta diferencias muy bajas en el parámetro de orientación de las
discontinuidades, donde el coeficiente de correlación (R) es 0.99 para el azimut de
buzamiento y 0.89 para el buzamiento, evidenciando la efectividad de la metodología
propuesta, para medidas estructurales de los planos de diaclasamiento.
Las características de las discontinuidades comparadas entre la información adquirida en
campo y por modelos fotogramétricos, evidencian la efectividad de la metodología,
principalmente en los parámetros de: tamaño de bloques que en los dos procesos varían
de pequeños a medios, el RQD varía de malo a medio, la orientación oscila de ±6° (AzBz)
y ±8° (bz) y el índice de rugosidad JRC fue de 20. Los parámetros anteriormente
mencionados concuerdan casi en su totalidad entre los dos métodos analizados.
En el talud de estudio se desarrollan tres sets o familias de discontinuidades, la familia J1
presenta valores de 67/70 y 245/68; considera como la principal, la familia J2 denominada
también como familia a contrapendiente (340/63) y J3 con el valor de 170/65.
En el talud de estudió se extrajeron muestras representativas de roca, empleadas para el
ensayo de resistencia a la compresión simple, dando como resultado que soporta una
carga de 54.2MPa antes de la rotura. Así también, las muestras restantes se describieron
macroscópicamente, identificando al tipo de roca en el macizo rocoso como esquistos
cuarzo sericíticos, que sus minerales principales son: cuarzo, sericita y granate en menor
porcentaje.
47
El estudio en campo evidenció que el talud está ligeramente meteorizado, presentando
decoloración de la roca. El tamaño de bloques varía entre pequeño a medio, debido al
valor de Jv entre 9 - 23 discontinuidades/m3, condicionando al índice de calidad de la roca
(RQD) de malo a medio. El espaciamiento oscila entre cerrado a moderado, con valores
de 170-340mm. La persistencia reflejó una variación de baja a media con valores entre 2
a 5m.
La rugosidad medida en el campo se evaluó para los tres sets de discontinuidades con el
rugosímetro casero RA, obteniendo un perfil de rugosidad, donde la mayor profundidad
de dicho perfil fue de 7mm. Este valor en función de la longitud del perfilómetro
determinó un JRC = 20, es decir, que se trata de diaclasas altamente rugosas. Además, la
abertura entre las paredes de las juntas es moderadamente ancha a moderadamente
abierta, con valores entre 4mm a 10mm.
La medida de la abertura de las juntas no fue factible realizar, debido a que el GSD, no
es lo suficientemente pequeño (>4mm) para medir este detalle.
El RMR calculado con los dos métodos coincidió que la calidad del macizo rocoso, la
cual se define como tipo III (regular), donde la ponderación en campo es 51 y del modelo
es 57.
En el análisis cinemático realizado para cada falla se determinó que el talud de estudio
presenta dos tipos de falla, plana de la familia J3 cumpliendo las condiciones de: αp= αf
± 20; Ψp < Ψf y Ψp > Φ; y rotura por volteo provocada por la familia J2 cumpliendo las
condiciones de: (90- Ψp) < (Ψf - Φ); αp = (αf + 180 ) + 20 y el polo J2 se ubica en el área
de mecanismo rotura, limita por + 20° con respecto a la dirección de la cara del talud.
5.1 CONCLUSIONES A LOS PROBLEMAS DE LA TOMA DE DATOS.
Para las zonas inaccesibles del talud de estudio, la metodología propuesta facilitó la
medición de parámetros geomecánicos, tales como: orientación mediante ArcMap 10.3 y
el algoritmo modificado Ply2atti_ra (tamaño de bloques, RQD, espaciamiento,
48
persistencia y rugosidad). Permitiendo obtener valores muy cercanos a la realidad,
corroborando la efectividad de la metodología en las partes accesibles del afloramiento
dando diferencias milimétricas entre los valores tomados en campo y los realizados en
software.
El sobrevuelo para el talud se realizó de forma manual, debido al fuerte viento, ejecutando
9 líneas de vuelo con fotogramas subverticales y horizontes, donde el solapamiento es
superior al 80%, plasmando 342 fotogramas.
A lo largo del afloramiento se colocó puntos de control, levantados con estación total. Sin
embargo, al geoposicionar el talud con GCPs se determinó que existe una diferencia
milimétrica (2-10mm) en la corrección geométrica, debido a la alta precisión del GPS del
UAV-liviano (phantom 3 pro).
Los fotogramas seleccionados e ingresados en el software fotogramétrico Agisoft
PhotoScan, generaron la nube de puntos densa (con más de 7 millones puntos), el modelo
de elevación texturizado y el raster de la ortofotografía.
49
RECOMENDACIONES
Utilizar la metodología propuesta en la presente investigación, para facilitar y afinar el
trabajo del ingeniero geólogo en el mapeo geomecánico de macizos rocosos,
economizando tiempo y recursos, permitiendole acceder a información valiosa y
confiable en zonas inaccesibles de los afloramientos precautelando la integridad del ser
humano.
Realizar los sobrevuelos con el UAV-liviano, en días soleados preferentemente, de no ser
así, es necesario configurar el ISO para tener la mayor claridad posible en los fotogramas.
Además, es prudente tomar en cuenta la fuerza del viento y la resistencia del equipo, para
que este no sufra daños o caídas.
Implementar a los UAVs-livianos cámaras profesionales de 40 Megapixeles, con la
capacidad de obtener GSDs de mayor resolución, obteniendo campos de visualización
micrométricos en ordenador; mejorando la apreciación de características geológicos-
geomecánicos como casos puntuales la abertura y rugosidad.
Determinar el factor de seguridad para el macizo rocoso de la U. Agoyán, con el fin de
establecer medidas de mitigación; como colocar pernos de anclaje o revestimiento de
hormigón, para evitar desprendimientos de bloques de roca que caigan sobre la calzada
50
6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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54
ANEXO 1
Fichas petrográficas de las muestras
FICHA DE ROCAS METAMÓRFICAS
Geólogo
responsable: Ana Merino Ruiz Código de la muestra
RW1
Tipo de la muestra: Afloramiento DESCRIPCIÓN PETROGRÁFICA
DATOS DE UBICACIÓN Características
Ubicación geográfica(Prov./Cantón/Parroquia) Color Gris Verdoso
Tungurahua/ Baños/Agoyán/ km7 Textura Foliada
Acceso al lugar Estructura Masiva
Cerca de la antigua vía Minerales Src+Gr+Qz
INFORMACIÓN DE COORDENADAS UTM
(Sistema de Proyección WGS84)
Grado de
deformación S0
Tipo de
Metamorfismo Regional
X 800575 Facie Esquitos
Verdes/anfibolita
Y 9844897 Rocas/Minerales
Z (ALTURA
m.s.n.m.) 1545±16 Relictos
DATOS ESTRUCTURALES Synmetamorfismo
Postmetamorfismo
Protolito
Quarzo feldespatico-
Pelítico
Grado de
meteorización Muy Bajo
Observaciones: Granate diseminado. Tipo de alteración
Nombre de la roca Esquisto cuarzo-sericítico
con granate
Análisis de
Laboratorio
Esquito cuarzo sericítico con granate
55
FICHA DE ROCAS METAMÓRFICAS
Geólogo responsable: Ana Merino Ruiz Código de la muestra RW2
Tipo de la muestra: Afloramiento DESCRIPCIÓN PETROGRÁFICA
DATOS DE UBICACIÓN Características
Ubicación geográfica(Prov./Cantón/Parroquia) Color Gris
Tungurahua/ Baños/Agoyán/ km7 Textura Foliada
Acceso al lugar Estructura Esquistosa
Cerca de la antigua vía Minerales Src+Qz+Msv
INFORMACIÓN DE COORDENADAS UTM
(Sistema de Proyección WGS84)
Grado de deformación S0
Tipo de
Metamorfismo
X 800382 Facie Esquitos Verdes
Y 9844683 Rocas/Minerales
Z (ALTURA
m.s.n.m.) 1516±16 Relictos
DATOS ESTRUCTURALES Synmetamorfismo
Postmetamorfismo
Protolito
Cuarzo
Feldéspatico
Grado de
meteorización Media-Alta
Observaciones: Fragmento de la Avalancha de
Escombros. Tipo de alteración Oxidación
Nombre de la roca Esquisto cuarzo-
sericítico
Análisis de
Laboratorio
Esquito cuarzo sericítico
57
ANEXO 3
Detalle de la obtención de valores de Azimut de buzamiento y Buzamiento.
Orientación
Un método para obtener datos estructurales de una discontinuidad, es mediante el
software ArcScene 10.3 a partir de un DEM, se generan mapas de pendientes y aspecto
para establecer valores de buzamiento y azimut de buzamiento respectivamente, este
proceso es factible siempre y cuando el plano se encuentre a favor de la pendiente, como
se muestra en la siguiente figura.
Figura 37.Identificación de planos para determinar los valores de azimut y buzamiento fue necesario
realizar varias divisiones y subdivisiones del talud.
Los planos marcados en el DEM y el DEM fueron exportados desde Agisoft PhotoScan,
y luego ingresado en ArcScene 10.3, para crear un shape de puntos para cada plano, una
vez generados los mapas de pendiente y aspecto, se obtiene datos estructurales de
buzamiento y azimut de buzamiento respectivamente de cada punto, el valor final es el
promedio de los valores de los puntos del shape. Ejemplos expuestos a continuación.
58
Tabla 18
Valores estructurales de la Familia J2 obtenidos en ordenador
Valor promedio Buzamiento Valor promedio Azimut de buzamiento
Plano 1 47.11 138.09
Plano 2 68.63 194.43
Plano 3 70.61 179.02
Plano 4 41.24 197.64
Visualización de los planos en el modelo texturizado, DEM, mapa de pendiente y aspecto, en el software
ArcMap 10.3.
Figura 38.Visión en Software. Tramo 4, parte 2, sección 2.2
En caso que el plano se encuentre a contrapendiente, es necesario realizar otro proceso
utilizando el software MeshLab, donde se identificó (pintar) el plano para exportar el
archivo en formato *.ply sin coordenadas de texto y en combinación binaria, fundamental
para ingresar los valores de RGB (red, green y blue) en el algoritmo modificado
Ply2atti_ra.
Figura 39.Planos en contrapendiente
59
En este caso se escogió el color verde para identificar los planos en contrapendiente, por
lo tanto, el RGB es (0,255,0); bajo estos valores y el archivo exportado en formato *.ply,
al ingresar en idioma python el algoritmo modificado Ply2atti_ra arrojara los datos de
azimut buzamiento y buzamiento.
Figura 40. Forma de ingresar datos RGB al algoritmo modificado Ply2atti_ra
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