Sistemas flexibles de alta resistencia para la retención y control de sólidos

Sistemas flexibles de alta resistencia para la retención y control de sólidos

(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 64)
Roberto Luis (1); Germán Fisher (2); Cristian Alvarez (2) y Sergio Mark (2)
(1)Geobrugg AG
(2)Geobrugg Andina, SpA

Los datos meteorológicos que actualmente se disponen, muestran que el calentamiento global, promueve comportamientos climáticos y fenómenos extremos cada vez con mayor frecuencia. De igual forma, se suceden eventos meteorológicos extremos, a los cuales están asociadas altas precipitaciones. La Niña es un fenómeno climático que forma parte de un ciclo natural global del clima conocido como El Niño-Oscilación del Sur (ENOS). Este ciclo global tiene dos extremos: una fase El Niño y una fase fría, conocida como La Niña. Cuando existe un régimen de vientos alisios fuertes desde el oeste, las temperaturas ecuatoriales disminuyen y comienza la fase fría o La Niña. Cuando la intensidad de los alisios disminuye, las temperaturas superficiales del mar aumentan y comienza la fase cálida, El Niño. Cualquiera de ambas condiciones se expande y persiste sobre las regiones tropicales por varios meses y causan cambios notables en las temperaturas, y especialmente en los regímenes de lluvias. Dichos cambios se suceden alternativamente en períodos que varían como promedio entre cinco y siete años, que en la actualidad se han reducido. La presencia de agua “adicional” en los entornos naturales, promueve la ocurrencia de instabilidades que terminan en deslizamientos o movimientos de masa de material sólido, a los cuales se les ha denominado flujos de derrubios (debris flow). El objetivo de este trabajo es mostrar una solución eficiente: las barreras flexibles de redes de anillos compuestas por alambres de alta resistencia (>1770MPa), son la solución recomendada, a solicitaciones de carga combinas (estáticas – dinámicas) de hasta 180kN/m2. Se explican el método de dimensionamiento, desarrollado a partir de ensayos a escala natural, así como la capacidad de retención de los sistemas a partir de su empleo en soluciones multinivel. Se destacan no solo las ventajas que desde el punto de vista técnico – económico; su método de instalación poco invasiva y su capacidad de mimetización, hacen de este tipo de solución, la respuesta técnica más eficiente y amistosa con el medioambiente.

1.Introducción

En general los mayores problemas medioambientales, están relacionados con la erosión y la deforestación producidas por los incendios forestales, fenómenos que unidos a la lluvia torrencial, provocan que se desencadenen corrientes de arrastre de materiales y sedimentos que en ocasiones provocan pérdidas en infraestructuras y vidas humanas. El relieve, las precipitaciones de carácter torrencial y la deforestación determinan la existencia de áreas altamente erosionadas, con pérdidas de suelo que pueden alcanzar valores muy importantes superiores a las 25 t/ha al año.

En algunas regiones, como consecuencia de su orografía abrupta y de las fuertes pendientes de gran parte de los sistemas fluviales, los problemas más graves de erosión, se presentan como consecuencia de fenómenos torrenciales que provocan una erosión profunda en forma de valles o barrancos con volúmenes importantes de arrastres.

El flujo de derrubios es una combinación de fenómenos naturales que se dan como consecuencia de inundaciones o de ocurrencia de fenómenos meteorológicos con períodos de retorno altos, suelen ser fenómenos excepcionales, aunque en algunos lugares se da con relativa frecuencia Consiste básicamente en el arrastre por un torrente de agua de materiales sueltos, granulares y tierra o lodo, restos de vegetación y en ocasiones troncos de árboles, a través de los cauces naturales del terreno (Figura 1). Al igual que los desprendimientos de rocas el flujo de derrubios actúa de forma dinámica, pero a diferencia del primero el impacto no es puntual. Además, habitualmente los eventos de desprendimiento de rocas suelen ser sucesos aislados, mientras que el flujo de derrubios ocurre en varias oleadas.

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Figura 1 – Factores decisivos – precipitación y estructura del material

2.Evaluación de riesgo

Resulta sumamente importante establecer los niveles de riesgo potencial en distintas zonas, existen diversos sistemas y metodologías que se aplican de manera global y que en general permite establecer los niveles de riesgo (Figura 2) básicamente considerando los siguientes factores:

  • La frecuencia de ocurrencia, predicción de parámetros como el volumen implicado el nivel de saturación y la composición del flujo.
  • El nivel de daños, relacionado con los volúmenes movilizados y la presión de impacto esperada.
  • La probabilidad de presencia, en función de las infraestructuras involucradas.
  • Vulnerabilidad: el más importante de los factores, relacionado con la presencia humana.
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Figura 2 – Factores que permite establecer niveles de riesgo

En algunos países como Suiza, Austria y Canadá se aplican metodologías que permiten evaluar el riesgo potencial en la zona de propagación en función de la intensidad y de la probabilidad de ocurrencia (Figura 3), con ello se contribuye al control y la planificación de desarrollo urbanístico e industrial.

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Figura 3 – Diagrama de los niveles de riesgo en función de la probabilidad e intensidad (Suiza)

3.Restauración hidrológico-forestal

Frenar o detener al máximo los procesos de erosión y pérdida de suelo es una de las finalidades de los proyectos y obras de Restauración Hidrológico Forestal (RHF), que las diversas Administraciones Forestales realizan desde hace más de un siglo. Estos proyectos estudian y diseñan las obras y actuaciones destinadas a la estabilización y corrección de lechos torrenciales y a conseguir los objetivos establecidos, con criterios de sostenibilidad, los planes de ordenación de cuenca que se centran, además, en la conservación de los recursos agua, suelo y vegetación como los recursos naturales básicos.

Las actuaciones de RHF se concretan en un conjunto de técnicas de ingeniería forestal de conservación de suelos, mejora de las masas forestales, realización obras de hidrotecnia de corrección y defensa de la red de drenaje, conducentes a mitigar las consecuencias negativas de la dinámica torrencial y de sus manifestaciones (erosión, transporte y sedimentación), teniendo en cuenta además los efectos que dichas manifestaciones pueden tener sobre las propiedades, infraestructuras, y lo que es más importante, sobre las vidas humanas.

Entre el conjunto de acciones y técnicas que comprende la RHF, el presente se centra, en las obras destinadas a la corrección y estabilización de torrentes, que tienen como finalidad la regulación y control de la erosión hídrica y la defensa de los márgenes y del lecho en régimen torrencial, en las zonas forestales y con ello evitar la incorporación masiva de materiales a las infraestructuras (embalses y pantanos, carreteras, etc.; prolongando su vida útil) y los núcleos de población (protegiendo bienes y vidas).

4.Dimensionamiento

Para el dimensionamiento de soluciones, es necesario considerar el eje principal que orienta esta actuación es el control o laminación del caudal sólido, mediante la retención de una parte de los arrastres y por lo tanto con la disipación de la energía de flujo (Roth 2003). La actuación pretende optimizar los drenajes en las intersecciones entre los cursos naturales del agua con las infraestructuras de acceso, de manera que su eficiencia se mantenga y no se generen alteraciones significativas aguas abajo. Las actuaciones se han proyectado en los puntos técnico-económicamente óptimos. Es por este motivo que se opta por la utilización de soluciones muy ligeras y heli-transportables que permiten una actuación rápida y sin accesos mecanizados dañinos para el medio (Figura 4).

Si bien la actuación pretende reducir el efecto erosivo, mantendrá en un grado importante la dinámica torrencial de los flujos de alta montaña.

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Figura 4 – Corrección hidrológica en un barranco de alta montaña en Austria

4.1.Estimación del volumen que puede alcanzar la protección

La estimación del volumen que puede llegar a la protección se realiza a partir de la combinación de los datos topográficos de los que se dispone, la experiencia y la observación de campo in situ de las características del emplazamiento.

4.2.Determinación del caudal

Para la determinación del caudal se puede emplear la expresión de Mizuyama (Mizuyama et al 1992), esta expresión permite obtener el valor del flujo a partir de una clasificación. Entre flujo granular y fino, se utilizará la expresión para terreno granular, no sólo porque se adecua más a lo observado sino porque se obtienen valores más altos, lo que sitúa el análisis en el lado de la seguridad.

Qp = 0,135 .V0,78                                                        (1)

donde:

Qp: flujo, gasto o caudal

V: volumen medio del material arrastrado

4.3.Determinación de la velocidad de flujo

En general para aproximar este parámetro se recurre a la expresión de Rickenmann (Rickenmann 1999), que propone una relación entre el caudal y la velocidad del mismo, a partir de la pendiente del curso fluvial.

v = 2,1 . Qp0,33 . S0,33                                                  (2)

donde:

v: velocidad

S: tangente de la pendiente del curso fluvial

La norma japonesa sugiere la ocupación de la expresión de Manning-Stricker para la determinación de la velocidad del flujo.

v = 1/ nd . h 0,67 . S0,5

donde:

nd es el coeficiente de Manning, el valor del cual está comprendido normalmente entre 0,05s/m1/3 y 0,18s/m1/3

4.4.Masa activa del material trasladada por el flujo

Como consecuencia de la composición del flujo y de la permeabilidad de la barrera, se produce un lavado durante el impacto, por lo tanto no toda la masa que tiene el flujo es detenida. El peso efectivo se determina bajo el supuesto que sólo esta parte del flujo actúa dinámicamente y de que se llene la barrera con derrubios entre el momento de contacto y el tiempo que ocurre la máxima deflexión de la red de anillos. El material que se traslada normalmente es heterogéneo y tiene densidad variable, se puede tomar como valor medio empírico una densidad g de 22kN/m3 (Figura 5). En los ensayos realizados (Duffy et al 1999), el tiempo de frenado puede llegar hasta 4s, en función del tipo de materiales de arrastre.

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Figura 5 – Ejemplo de que una misma cuenca puede proporcionarnos flujo de derrubios de diferente composición. Fuente WSL

M = γ . Q . t                                                                (3)

donde:

M:   masa activa

γ:     densidad del flujo

t:     tiempo de impacto

4.5.Determinación de la carga de impacto

Con los valores de masa activa y de velocidad se puede determinar la energía cinética del flujo en contacte con la barrera.

EK = 0,5. M .v2                                                                        (4)

Igualmente, como resultado de ensayos y de la experiencia en diferentes emplazamientos, se sabe que la deflexión máxima a la que se llega está en el orden de 2-4m. Con esto se puede estimar la carga cuasi-estática que debe soportar la barrera. Según la segunda ley de Newton:

F = M . a                                                                    (5)

La distancia se obtiene del producto de la velocidad y el tiempo:

d = v . t                                                                      (6)

La velocidad es el producto de una aceleración y del tiempo:

v = a . t                                                                       (7)

De las ecuaciones (6) y (7) se obtiene:

a = v2 / d                                                                    (8)

Utilizando las ecuaciones (4), (5) y (8) se puede deducir que la fuerza cuasi-estática es igual al doble de la energía cinética dividida por la distancia de frenado.

F= 2 . EK/ d                                                                (9)

donde:
F: carga cuasi-estática

EK: energía cinética

d: deflexión máxima

Hasta aquí la primera aproximación al dimensionamiento, una vez estudiado el fenómeno en profundidad, se concluye que el enfoque energético no es adecuado. En la tabla 1 se aprecian las principales diferencias entre sistemas de protección contra ciada de rocas y sistemas de control del flujo de derrubios.

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Para los flujos de derrubios, en el trasdós de la barrera se genera una combinación de solicitaciones dinámicas y estáticas, que hacen que el comportamiento del sistema de control sea diferente. Como resultado de estos estudios y ensayos a escala natural (Wendeler 2008), se ha calibrado una expresión que permite establecer los valores de la combinación de carga, destacando la determinación del coeficiente de impuso dinámico Cd, obtenido a partir de ensayos a escala natural (Ammann et al 2006) en Illgraben Suiza (figura 6) y análisis retrospectivo.

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Figura 6 – Vista de una protección flexible tipo VX colmatada y del DTM. Fuente WSL-GEOBRUGG

Los valores del coeficiente dinámico Cd están entre 0,7 para fluidos con mayor contenido de lodo, hasta 2 para fluidos granulares (Figura 7).

F = ½ . γ. γ . hfl2   +   Cd . γ . v2 . hfl                             (10)

donde:

γ:  densidad del fluido

v: velocidad

hfl : altura del fluido

Cd:  factor dinámico del impulso

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Figura 7 – Consideración del posible efecto de la ocurrencia del llenado mediante varios eventos sucesivos u oleadas (Wendeler, 2008). Descripción del proceso de llenado del trasdós.

5.Ejemplo de Portainé

Los torrentes de alta montaña se ven afectados con notable frecuencia por procesos  erosivos provocados por flujos híper concentrados o flujos de derrubios. La dinámica natural de los cursos de agua de alta montaña, aunque no se tiene un registro claro por la falta de estaciones meteorológicas, escribe su histórico por eventos catastróficos de este tipo que es especial-mente interesante en el Barranco de Portainé. Los tres últimos acontecimientos de los que se dispone de registro son del año 1982, 2006 y 2008. Todos comportaron notables inconvenientes y desperfectos en accesos y servicios de la estación de Esquí de Portainé y vecinos. El origen de los fenómenos erosivos tipos flujo de  derrubios se atribuye en general a combinaciones de intensidad de precipitación y pendiente de la cuenca y cauce, aunque la construcción de infraestructuras con movimientos de tierra no consolidados puede catalizar el fenómeno. Si bien los accesos se han restablecido, y se ha abordado la construcción de importantes infraestructuras de cruce de la carretera con los barrancos y por lo tanto mejora del drenaje, el conjunto de la cuenca ha quedado fuertemente afectada por precipitaciones de menor intensidad y volumen, que han removilizado el material meta-estable. Geobrugg ha estudiado la dinámica de la cuenca del Barranco y ha diseñado protecciones que permiten compaginar una dinámica torrencial propia de la zona y la preservación de las infraestructuras básicas (Parrilla et al 1995).

La zona de estudio se halla parcialmente dentro de los límites de la estación de  Esquí de Portainé. La cuenca en sentido amplio está drenada por los Barrancos de Reguerals, dels Clots de Portainé y Coma del Forn, que conducen el agua hacia el río de Santa Magdalena o Romadriu. La cuenca tiene como cota máxima la del Pic de l’Orri, que culmina a 2.439 m de altura, mientras desemboca en el Barranco de Romadriu, a una cota de 950m, superando el desnivel de casi 1.500m en unos 5,7km que representa una pendiente media del 16º. La Estación de Esquí inmersa en una importante inversión que garantice la viabilidad invernal está construyendo importantes infraestructuras de reserva y conducción de agua. En concreto las conducciones de agua hacia los cañones de nieve artificial, longitudinales a la máxima pendiente en muchos puntos, y los terraplenes de balsas han sufrido notablemente los efectos de la erosión y han proporcionado material sólido a las incipientes escorrentías de cabecera de cuenca (Luis Fonseca et al 2010).

Los episodios de precipitaciones torrenciales son periódicos, aunque no se tiene un registro claro, por la falta de estaciones meteorológicas en la zona. Sus efectos generan importantes desperfectos, y las correspondientes tareas de reparación y mantenimiento. El origen de los fenómenos erosivos tipos flujo de derrubios se atribuye en general a combinaciones de intensidad de precipitación y pendiente de la cuenca y cauce (Figuras 8 y 9, señalización del  evento de Portainé de 2008 (Mayer et al 2003), aunque la construcción de infraestructuras con movimientos de tierra no consolidados puede ser uno de los elementos desencadenantes (Luis Fonseca et al 2007).

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Figura 8 – Umbral de lluvia crítica para causar corrientes de derrubios

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Figura 9 – Pendiente versus área contributiva aguas arriba del punto de formación de corrientes de derrubios

En el caso de Portainé los datos de los que se dispone son de precipitaciones para el evento de 2008 de 60mm en menos de 40 minutos. Precipitación que se asume de periodo de retorno (T) próximo a 20 años y tiempo de concentración inferior a 20 minutos.

Como resultado de un estudio, que presupone la movilización en canal del material en contenido en el eje del barraco, se decidiera instalar una totalidad de 9 barreras de forma escalonada, con una capacidad aproximada de captación de materiales sólidos de hasta unos 25.000 metros cúbicos (Figura 10). Dadas las características del canal (estrecho <15m) el modelo empleado es VX, y la presión de retención combinada en su trasdós de 160kN/m2.

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Figura 10. Propuesta de solución mediante sistema multinivel de barreras tipo VX-160

El 22 de julio de 2010, se produjo un fenómeno local intenso (Figura 11), que provoco la movilización una importante masa de material estimad en unos 25.000 m3 de material, que se acumuló en es trasdós de las barreras colocadas tan solo unos meses antes.

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Figura 11. Fenómeno muy local de precipitaciones intensas ocasionado, se produzca el fenómeno cuya reología aún está en estudio.

En la siguiente fotografía (Figura 12) se pueden observar dos vistas de una de las nueve barreras completamente colmatada que fue inclusos sobrepasada, observa que todo el material solido ha quedado retenido en la barrera, quedando una superficial permeable que está sujeta a una carga cuasi estática, mientras dure el proceso de drenaje, esta solución escalonada sin duda útil para propiciar la reducción de la velocidad y con ello de la energía de flujo aguas abajo (Vilalta et al 2010).

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Figura 12. Vista general y lateral de una de las barreras VX-160 tras el fenómeno descrito, llenado y colmatación

6.Estación de observación de Erill

Como parte del proceso de calibración de los sistemas se ha ubicado una estación de observación, en una zona muy cercana a Portainé, el Barraco que está justo encima del pueblo de Erill (Figura 13).

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Figura 13. Vista general del barranco de Erill

La estación de monitoreo está compuesta por una conjunto de geófonos (Figura 14) colocados aguas arriba de la barrera, que permiten poner en funcionamiento los medios de auscultación y grabación así como, una estación meteorológica que permite asociar la meteorología con el fenómeno de arrastre de sedimentos tipo, una estación piezométrica multinivel, así como un conjunto de sensores de carga colocados en la barrera, con el objeto de revisar la solicitaciones en los puntos de interés.

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Figura 14. Colocación de los geófonos

Con ayuda de la señal (impulsos) medidos por el conjunto de geófonos, es también posible proceder a la identificación tal y como muestra la siguiente Figura 15, en función de la forma y magnitud de la señal, es posible saber si se trata de escorrentía solo de agua tras un episodio de lluvias torrenciales, si se trata del algo de más entidad identificado bajo el nombre de flujo hiperconcentrado en el cual existe arrastre de materiales finos a alta velocidad o si se trata de un flujos de derrubios con arrastre de material granular de mayor entidad (Raïmat 2017).

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Figura 15.- Identificación del fenómeno mediante los impulsos

Como parte del proceso de auscultación también se pude tener on-line la solicitaciones en los puntos clave de la barrera (células de carga o galgas extensométricas), lo cual permite revisar el dimensionamiento del sistema ante este tipo de solicitación, véanse los valores máximos de solicitación en uno de los cables de 325kN, durante este muestreo el máximo valor se observa en un cable intermedio, justo a la altura de llenado de la barrera (Figura 16).

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Figura 16 – Altura de llenado y solicitaciones en los cables

El control de los volúmenes acumulados en este particular se consigue con cierta precisión debido a la aplicación de la técnicas de LIDAR terrestre (Figura 17), es de señalar que además se encuentra en desarrollo técnicas de fotogrametría basadas en el empleo de los drones, que permite acceder a este tipo de emplazamiento sin mayores dificultades y con un nivel muy grande de detalle, precisiones del orden de centímetros, que son más que suficientes para este tipo de trabajo.

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Figura 17 – Volumen acumulado en Erill el 22 de julio de 2010

7.Conclusiones

Resulta muy recomendable a la hora de establecer medidas de mitigación contra los flujos de derrubios, contar con algún mecanismo efectivo que permita evaluar el riesgo, por supuesto considerando con elemento principal la vulnerabilidad. Los métodos de dimensionamiento de las barreras flexibles ha evolucionado de forma considerable, el preciso comprender que el enfoque energético inicial no es válido, en tanto en cuanto las cargas dinámicas, general una presión en el trasdós de las estructuras que tiene una componente estática y una dinámica, y que es en fin de cuentas la base del dimensionamiento. El coeficiente dinámico resultante de trabajos de investigación a partir de ensayos a escala natural (1:1) es clave en el dimensionamiento. La solución mediante el Sistema VX contra el flujo de derrubios resuelve satisfactoriamente las solicitaciones calculadas y medidas. El estudio de la solución en el barranco de Portainé mediante barreras flexibles de 160kN/m2, con potencial para la retención mediante un sistema escalonado, con capacidad para la retención individual de entre 1400-2000m3 y conjunto de un máximo de 25000m3, ha demostrado que el dimensionamiento es correcto. La revisión de ocurrencia de distintos fenómenos, así como su propagación en zona donde está ubicada la estación de Erill, ha permitido corroborar que los valores obtenidos en otras estaciones de observación (Illgraben) extrapolables a otras condiciones. Los requisitos de impacto ambiental y sostenibilidad económica satisfacen las exigencias actuales a nivel global. La solución garantiza una actuación de escaso impacto ambiental con unos riesgos residuales mínimos. La combinación entre soluciones tradicionales como los muros-diques de escollera y las novedosas soluciones UX/VX son posibles, aumentando incluso la durabilidad frente a erosión y socavación de los diques de gaviones y de hormigón existentes.

8.Referencias

  • Ammann W. y Volkwein, A. (2006). Debris flow test site Illgraben, Switzerland. Reserch result from test barrier 2005. WSL, Switzerland.
  • Duffy J.D., Peila A. (1999). Case studies on debris and mudslide barrier systems in California. Colorado. Estados Unidos.
  • Luis Fonseca, R. et al (2007). Sistemas flexibles de protección contra torrentes de derrubios. Ingeoter 7. Madrid.
  • Luis Fonseca, R. et al (2010). Aplicación de Membranas Flexibles para la Prevención de Riesgos Naturales. Ropero Editores. Madrid.
  • Mitzuyama et al (1992), Prediction of debris flows peak discharge, Interpraevent, Bern, Bd. 4, 99-108
  • Parrilla G. y Palacios D. (1995). Bibliografía especifica sobre un proceso de ladera. Flujo masivo de depósito (Flujos de Derrubios) cuando es generado por lluvias intensas en áreas no volcánicas. Anales de Geografía. Universidad Complutense. Madrid.
  • Raïmat, C. (2017). Dinámica y Peligrosidad de las Corrientes de Derrubios: Aplicación en el barranco de Erill, Pirineo Catalán. Tesis Doctoral UPC. Barcelona.
  • Rickenmann, D. (1999). Empirical relationships for debris flow, natural hazards, 19(1), 47-77
  • Roth, A. (2003). Design concept VX / UX protection system against debris flow. Romanshorn, Suiza
  • Vilalta, J. et al (2010). Contención de flujos de derrubios mediante barreras flexibles de anillos de acero. Estaciones de observación en Cataluña. Centre Tecnològic Forestal de Catalunya. Ingeoter 10. Madrid.
  • Wendeler, C. (2008). Murgangrückhalt in wildbächen – grundlage zu planung und berechnung von flexiblen barrieren, Tesis Doctoral ETH-WSL. Zúrich.

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