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EL ROL DE LA GEOTECNIA EN EL CAMPO DE LA INGENIERIA AMBIENTAL
LEONEL LEAL LEMUS
CARLOS ARTURO PELAEZ SERRANO
UNIVERSIDAD DE SANTANDER
ESCUELA INTERNACIONAL DE POSGRADOS ESPECIALIZACIÓN EN GEOTECNIA AMBIENTAL
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El ROL DE LA GEOTECNIA EN EL CAMPO DE LA INGENIERIA AMBIENTAL
LEONEL LEAL LEMUS
CARLOS ARTURO PELAEZ SERRANO
Proyecto de grado presentado como requisito parcial para Optar al título de Especialista en Geotecnia Ambiental
Director Metodológico MARÍA LUCIA SIERRA SIERRA
Socióloga especialista en métodos y técnicas de investigación Social
UNIVERSIDAD DE SANTANDER
ESCUELA INTERNACIONAL DE POSGRADOS ESPECIALIZACIÓN EN GEOTECNIA AMBIENTAL
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DEDICATORIA
Gracias a Dios por darme esta oportunidad de
continuar con mis estudios y de alcanzar otro logro
en mi vida. Con todo el cariño, le dedico esta tesis a:
Dioselina y Víctor, Mis padres
Daniela y
Mariana, Mis hijas
Janeth, Mi esposa
LEONEL LEAL LEMUS
Gracias al Creador por esas personas que me llenan
con su presencia, que siempre han estado orgullosas
de mis logros y están siempre listas para brindarme
toda su ayuda incondicional. Con todo mi cariño y
agradecimiento, está tesis se la dedico a ustedes:
Alejandro y Yolanda,
mis padres.
Carlos Andrés, mi Hijo.
Lina Cecilia, mi esposa.
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AGRADECIMIENTOS
Gracias a nuestros padres, hermanos, hijos, por sus persistentes voces de aliento, a nuestras esposas que nos entendieron nuestras ausencias dándonos ánimo para culminar ésta nueva etapa profesional.
Gracias a nuestra familia que nos han apoyado para realización de este logro y por la paciencia de los fines de semana, que no estuvimos con ellos.
A todos los docentes de la Especialización en Geotecnia Ambiental de la Universidad de Santander que de una u otra forma sembraron las diferentes ideas y nos orientaron para la realización de la presente tesis.
Gracias al Ingeniero Omar Suancha por sus aportes, opiniones y sugerencias en ejecución de la presente tesis.
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CONTENIDO
Pág.
INTRODUCCIÓN ... 11
RESUMEN ... 11
1. EL ROL DE LA GEOTECNIA EN EL CAMPO DE LA INGENIERIA AMBIENTAL... 15
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 15
1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA. ... 15
1.3 OBJETIVOS ... 16
1.3.1 Objetivo General. ... 16
1.3.2 Objetivos específicos ... 16
1.4 JUSTIFICACIÓN ... 16
2. MARCO TEÓRICO ... 17
2.1 ANTECEDENTES ... 17
2.1.1 Antecedentes Internacionales.. ... 17
2.1.2 Antecedentes nacionales.. ... 18
2.2 MARCO REFERENCIAL ... 19
2.2.1 Tipos de depósitos para desechos... ... 19
2.2.2 Presas o diques de relave.. ... 20
2.2.3 Revestimiento e Impermeabilización.: ... 21
3. DISEÑO METODOLÓGICO ... 23
3.1 TIPO DE ESTUDIO ... 23
3.2 MÉTODOS Y TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE DATOS ... 23
4. BREVE PERSPECTIVA HISTÓRICA DE LA VARIABLE AMBIENTAL DENTRO DEL CAMPO DE LA GEOTECNIA ... 24
5. PROBLEMAS Y EJEMPLOS DE LA GEOTECNIA AMBIENTAL: PRESENTE Y FUTURO ... 27
5.1 ESTABILIDAD A LARGO PLAZO DE LOS SISTEMAS DE DISPOSICION DE DESPERDICIOS. ... 27
5.1.1 Compuestos Orgánicos Volátiles.. ... 28
5.1.2 Intercambio de cationes y la conductividad hidráulica a largo plazo en Revestimientos Geosintéticos de Arcilla (GCL).. ... 31
5.2 BARRERAS CON MATERIALES ALTERNATIVOS ... 33
5.3 BARRERAS Y MATERIALES INNOVADORES ... 37
5.3.1 Barreras de membrana de Arcilla.. ... 38
5.3.2 Nanocompuestos de polímero de arcilla.. ... 43
5.4 NUEVAS FORMAS DE RESIDUOS ... 47
5.4.1 Residuos de animales vivos.. ... 47
5.4.2 Residuos de animales muertos. ... 49
5.4.3 Derivados de Residuos de Tecnologías Nuevas.: ... 51
5.5 IMPORTANCIA DE LOS PROCESOS BIOLÓGICOS ... 51
vi
5.5.2 Biorremediación con electrocinética.. ... 55
5.5.3 Remediación con bacterias reductoras de sulfato.. ... 58
5.6 ROL O PAPEL DEL MODELADO ... 60
6. ROL DE LA GEOTENIA EN EL CAMPO DE LA DE LA INGENIERIA AMBIENTAL... 63
6.1 IMPORTANCIA DE LA IDENTIDAD PROFESIONAL ... 63
6.2 OTRAS CARACTERÍSTICAS DEL ROL DE LA GEOTECNIA AMBIENTAL Y LA INGENIERÍA AMBIIENTAL ... 67
6.2.1 Los saberes específicos para el geotecnista.. ... 67
6.2.2 Saberes específicos para el ingeniero ambiental.”. ... 68
6.2.3 Campos de acción de la ingeniería ambiental y la geotecnia………....69
6.2.4 Perspectiva y rol de la ingeniería geotécnica y ingeniería ambiental. . ... 71
CONCLUSIONES ... 72
RECOMENDACIONES ... 75
vii
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Esquema típico de la instalación de un lisímetro colector debajo de una capa de arcilla compactada para una instalación de residuos sólidos 28 Figura 2. Concentraciones de diclorometano en un lisímetro colector 29 Figura 3. Comparaciones del diagrama de caja de las concentraciones de diclorometano en lisímetros debajo de células de arcilla y de materiales
compuestos. 30
Figura 4. Fotografía de bentonita desecada 32
Figura 5. Concepto de capacidad de almacenamiento de agua en el suelo en
cubiertas alternativas de barro 35
Figura 6. Corte de sección de dos de las principales cubiertas alternativas de
tierra fina 36
Figura 7. Efecto del comportamiento de la membrana de flujo de masa de soluto en estado estable a través de una barrera de arcilla de 1 m de
espesor 40
Figura 8. Tendencia temporal en la eficiencia osmótico-químicacomo función de la razón de vacío (e) para dos rellenos de tierra-bentonita 42 Figura 9. Ilustraciones esquemáticas de diferentes tipos de composiciones
de nanocompuestos 44
Figura 10. Las curvas de esfuerzo-deformación para polietileno lineal de baja densidad (LLDPE) y nanocompuestos de LLDPE-arcilla orgánica con
diferentes porcentajes en peso de montmorillonita (MMT) 45
Figura 11. La permeabilidad relativa de oxígeno, nitrógeno y gases de dióxido de carbono para las películas de nanocompuestos de arcilla orgánica 150-m de espesor con diferentes contenidos de montmorillonita a 35 oC 46 Figura 12. Modelo esquemático de la vía tortuosa de difusión de gas a través
de un nanocompuesto de polímero-arcilla exfoliada 46
Figura 13. Ejemplos de priones de ratón y hámster 50
Figura 14. Enfoques para la aplicación de lixiviado recirculado en vertederos
biorreactores 54
Figura 15. Esquema del sistema de electrocinética para la biorremediación 56 Figura 16. Posibles reacciones bioquímicas para precipitación de metales
resultante de la reducción del sulfato en solución acuosa 60
Figura 17. Sub-disciplinas de la geotecnia 65
Figura 18. Definición de la ingeniería GeoAmbiental en el programa de la
Universidad del Estado de Colorado 66
Figura 19. Diferentes estructuras que son posibles gracias al trabajo de la
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LISTA DE CUADROS
Pág.
ix GLOSARIO
ACUITARDO: Es una formación geológica semipermeable, que contiene agua y la transmite muy lentamente, no son aptos para extraerles aguas subterráneas, pero pueden permitir las recarga vertical de otros acuíferos.
ACUÍFERO: Formaciones geológicas permeables en las cuales se encuentra agua permitiendo así el almacenamiento de agua en espacios subterráneos
GABRO: tipo de roca ígnea intrusiva de composición similar al basalto, compuesta principalmente de plagioclasas y clinopiroxenos.
HIDRÓLISIS: Reacción de descomposición en la que interviene el agua. En los suelos, normalmente indica una reacción entre silicatos y agua pura o una solución acuosa. En tales reacciones son consumidos iones H+ u OH-, cambiando así la relación H+/OH-.
HIDROLIZAR: someter un material a procesos de hidrólisis.
HIDRÓMETRO: instrumento utilizado para medir la densidad de líquidos y suspensiones. El tipo más común consiste en un vástago de sección transversal constante que remata en un bulbo de vidrio lastrado que al introducirse en un líquido flota de modo que el vástago permanece en posición vertical. Cada hidrómetro es calibrado de modo que pueda leerse directamente la densidad, o el contenido de sólidos en suspensión.
ILUVIACIÓN: acumulación de materia soluble o suspendido que ha sido transportado desde un horizonte superior a uno inferior en el perfil del suelo. El término se refiere principalmente, pero no en forma exclusiva, al movimiento de coloides.
INCLINÓMETRO: instrumento para medir la inclinación de una línea o de una superficie.
ÍNDICE DE TENACIDAD, TI: medida de la susceptibilidad de cambio dela consistencia -de un suelo debido al cambio en el contenido de humedad; numéricamente está dado por la relación entre: a) el índice de plasticidad, y b) el índice de flujo.
LYSIMETERS (LISÍMETRO): es un dispositivo introducido en el suelo, rellenado con el mismo terreno del lugar y con vegetación. Es utilizado para medir la evapotranspiración de referencia del cultivo.
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moléculas del producto químico en la superficie de contacto (externa) del material; difusión de las moléculas absorbidas en el material; desorción de las moléculas por la superficie opuesta (interna) del material.
11 RESUMEN
Título
EL ROL DE LA GEOTECNIA EN EL CAMPO DE LA INGENIERIA AMBIENTAL
Autores
LEONEL LEAL LEMUS
CARLOS ARTURO PELAEZ SERRANO
Palabras claves: Geotecnia, ingeniería ambiental, identificad profesional
La definición del campo de la geotécnica ambiental no ha sido establecida de forma clara ni planificada, y en su defecto se ha llegado al ejercicio de esta práctica profesional mediante la respuesta a problemas ambientales encontrados en la Ingeniería Geotécnica o Geotecnia propiamente dicha. El documento presenta una recopilación bibliográfica sobre los trabajos que se han realizado en materia ambiental cuando de problemas de geotecnia se han tratado, y de esta manera al finalizar se reflexiona sobre la correcta definición de ésta área de la ingeniería. En su trayecto, el documento presenta diferentes estudios realizados y actualmente en curso para dar una visión sobre la geotecnia ambiental.
12 ABSTRACT
Title
THE ROLE OF GEOTECHNICAL FIELD OF ENVIRONMENTAL ENGINEERING
Authors
LEONEL LEAL LEMUS
CARLOS ARTURO SERRANO PELAEZ
Keywords: geotechnical, environmental engineering, identify professional
The definition of the field of environmental geotechnical not been established clearly not planned, and failing has come to exercise this practice by responding to environmental problems encountered in Geotechnical Engineering or Geotechnical itself . The paper presents a bibliography of the works that have been made in environmental matters when geotechnical problems have been addressed, and so at the end we reflect on the correct definition of this area of engineering. On the way, the paper presents various studies carried out and currently underway to give a view on environmental geotechnics.
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INTRODUCCIÓN
Hace años que se percibe que los desastres climáticos van en aumento, alrededor del 70 por ciento de los desastres están relacionados con el clima que hoy vive el planeta. Estos desastres tienen un costo humano muy alto y vienen cargados de otros costos materiales, incluso “los daños causados pos catástrofes climáticas pueden triplicarse hasta alcanzar los 185 mil millones de dólares anuales”1. Las lluvias repentinas son más destructivas, acompañadas de intensas tormentas tropicales, inundaciones y sequías repetidas que pueden aumentar, al igual que la vulnerabilidad de las comunidades locales en la ausencia de una fuerte acción preventiva. El cambio climático no es sólo una amenaza distante futura, es el principal motor detrás de las crecientes necesidades humanitarias y de las que se está viendo su impacto. El número de personas afectadas y los daños causados por el clima extremo han sido sin precedentes.
Esta situación desencadena la preocupación y ocupación de las diferentes ciencias para encontrar soluciones y dar una gestión apropiada. Algunas de estas gestiones son del tipo correctivas, pero desde la óptica ambiental y utilizando la ingeniería se pueden vislumbrar técnicas proactivas para evitar nuevas contaminaciones o afectaciones a la naturaleza. Todas estas preocupaciones dieron origen a nuevas áreas dentro de la Ingeniería Civil y la Geotecnia como la Ingeniería Ambiental y la Geotecnia Ambiental.
Sin embargo, el hecho de que se deriven nuevas áreas de la ingeniería también trae consigo para la academia la identificación de las fronteras y la identidad sobre lo qué es y lo qué no es cada una de estas áreas de conocimiento. Basado en estas nuevas problemáticas los autores como profesionales en formación de la Especialización en Geotecnia Ambiental de la Universidad de Santander deciden presentar este documento que ofrece información de fuentes secundarias para encontrar explicaciones y orientaciones sobre la cuestión de diferenciar la Geotecnia Ambiental y la Ingeniería Ambiental.
El estudio no solo indaga escenarios locales y nacionales sino que en su mayoría se ha enriquecido con fuentes internacionales que no solo brindan validez y actualidad de contenido a la reflexión sino que también ofrecen una perspectiva externa que al comparar con la perspectiva de los documentos nacionales y locales incorporados en el análisis se genera una evaluación comparativa.
De esta manera se espera ofrecer un documento que oriente a los próximos estudiantes de la Especialización en Geotecnia Ambiental sobre los aspectos que
1
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1. EL ROL DE LA GEOTECNIA EN EL CAMPO DE LA INGENIERIA AMBIENTAL
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Los temas ambientales han sido un componente importante de la Ingeniería Geotécnica desde 1980, aunque los ingenieros geotécnicos probablemente se han ocupado de las cuestiones ambientales de alguna forma, menos formal, ésta ha sido poco sistemática. Los principales problemas ambientales que enfrentan los ingenieros geotécnicos son: (1) el diseño y la construcción de nuevas instalaciones de contenedores de residuos, tales como vertederos de ingeniería utilizados para la eliminación de los Residuos Sólidos Urbanos (RSU) y residuos peligrosos, y (2) la evaluación y remediación de sitios contaminados por antiguas prácticas industriales y representa una amenaza para la salud pública y el medio ambiente.
A pesar de esta claridad en la literatura, parece normal pensar, desde la especialización en Geotecnia Ambiental desarrollada en la Universidad de Santander, que se encuentra claramente definida cuál es el rol del estudio ambiental dentro de la ingeniería civil y la geotecnia misma, sin embargo, el hecho que la geotecnia analice el fenómeno desde la misma naturaleza y sus diversas formas geográficas y estructurales hace que se confundan los conceptos y no se diferencie en qué momento se incluye la variable ambiental en los problemas de ingeniería y construcción. Un ejemplo claro de esto son los problemas de estabilización de taludes, los cuales han sido un problema típico e histórico en la geotecnia pero que hoy se consideran problemas ambientales. Esto para dar solo un ejemplo. A raíz de lo anterior y en vista de que es un cuestionamiento de parte de varios de los estudiantes de la Especialización en Geotecnia Ambiental, se propone la siguiente pregunta problema:
1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA.
Pregunta general.
¿Cuál es el rol de la geotecnia en el campo de la Ingeniería Ambiental?
Preguntas específicas.
¿Cuál es la historia de la Ingeniería Ambiental dentro de los problemas de la geotecnia?
¿Qué temas o problemas ambientales han sido tratados dentro de la geotecnia y cuáles lo serán en el futuro?
16 1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo General. Determinar el rol de la geotecnia en el campo de la Ingeniería Ambiental para fortalecer la comprensión sobre la Geotecnia Ambiental como un nuevo campo de estudio yde aplicación.
1.3.2 Objetivos específicos
Describir la historia de la ingeniería ambiental dentro de los problemas de la geotecnia para reconocer los momentos importantes en que se comienza la estructuración de la geotecnia ambiental como campo de estudio y aplicación
Especificar los temas o problemas ambientales que han sido tratados dentro de la geotecnia y aquellos que corresponden a su futuro para categorizar la geotecnia ambiental como campo de aplicación y organizar los trabajos de estudio necesarios para fortalecerla
Ejemplificar los problemas ambientales de la geotecnia para ofrecer material de apoyo a los estudiantes de la especialización en geotecnia ambiental
1.4 JUSTIFICACIÓN
El tema del proyecto se justifica desde la dimensión personal de los autores porque las nuevas aplicaciones ambientales que se desarrollan dentro de la ingeniería ambiental han generado todo un nuevo campo de estudio y aplicación que ha desencadenado cuestionamientos para ellos desde su formación en la especialización, no queriendo decir que la orientación recibida por la Universidad no haya sido suficiente sino que el trabajo que se propone aumentará la riqueza sobre estos temas.
Desde la dimensión del programa de posgrado se hace justificable porque entrega un material apropiado y enriquecido para quienes ingresen a estos estudios en el futuro. Este material se desarrollará utilizando material bibliográfico, el cual se puede demostrar a través de la bibliografía anexa en el apartado “4.2 Población y muestra”, donde se evidencia que hay suficiente material para lograr contestar las preguntas que se plantean. De esta manera, el alcance del trabajo es de tipo documental y sus límites subyacen a la disponibilidad de este material bibliográfico.
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2. MARCO TEÓRICO
2.1 ANTECEDENTES
El interés por esclarecer los problemas que deben tratarse en cada área de la ingeniería civil y la geotecnia, máxime cuando ha emergido la nueva variable ambiental, ha sido un tema tratado por ingenieros en el campo nacional e internacional. En este apartado se presentan algunos de los documentos que han sido publicados para mostrar lineamientos sobre el tratamiento temático que se le ha dado.
2.1.1 Antecedentes Internacionales. Rowe2 en el año 2007 expuso en una ponencia internacional en Brasil los avances de la disciplina que en ese momento se denominaba Ingeniería Geoambiental, nombre que aún no es acordado entre los diferentes ingenieros que la estudian; por ejemplo, en la especialización se ha denominado Geotecnia Ambiental. Este es uno de los puntos que motiva esta propuesta, ya que no existe una denominación común para hablar de la disciplina que enfrenta los problemas ambientales dentro de la geotecnia. Rowe3 presentó nueve problemas en aplicaciones geoambientales que se relacionan con el uso de materiales; estos problemas son: conductividad hidráulica, durabilidad, disecación, compactibilidad, protección, pozos, cultivos de caracoles, difusión y las temperaturas que descomponen los materiales.
Posteriormente, en el 2009, se puede encontrar a Yean-Chin y Chee-Meng4 quienes presentan un documento similar a un estado del arte para mostrar las aplicaciones actuales de la ingeniería geotécnica en Malasia y cuál es el desarrollo futuro que se requiere para atender las necesidades de construcción y solución de problemas debidos a la tierra en este país. El documento presenta imágenes enriquecedoras sobre algunos problemas que se han presentado y solucionado, con aplicaciones prácticas que fortalecen la comprensión sobre la disciplina. Aseguran que en el país las construcciones son cimentadas por lo general en las blandas tierras que la constituyen y que debido al desarrollo de los últimos quince (15) años en materia económica, el país necesita que se generen soluciones para permitir este crecimiento en el plano de la construcción. Así mismo, por la densidad poblacional y la escasez de terreno, las construcciones necesitan aprovechar no solo el espacio hacia arriba sino también la profundidad del terreno, de tal manera que se ubiquen más espacios en una misma construcción.
2
ROWE Kerry. Advances and remaining challenges for Geosynthetics in Geoenvironmental engineering applications.Soils and Rocks. 2007. Sao Paulo (Brasil). Vol. 30. No. 01. p. 3-30
3
Idem
4
18
En el 2010, Bohnhoff y Schackelford5 realizan un estudio similar e incluso utilizan en uno de sus apartados dentro del documento la expresión “Estado del Arte” para referirse no solo a los estudios realizados sino también a las prácticas de la ingeniería geoambiental. Estas prácticas incluyen el uso de muros de contención y disposición para los residuos con nuevos materiales como bentonita de sodio, aceites naturales, Geosintéticos, nanocompuestos y geomembranas.
También debaten sobre los retos que esta disciplina debe enfrentar, entre los que enuncian básicamente dos: uno es el de manejo de la salud, el cual puede ser causado por los nuevos materiales que se utilizan para las aplicaciones geoambientales, sea porque el material trae implícitos diferentes compuestos que al contacto con el hombre pueden ocasionarle enfermedades, o porque la reacción de estos materiales con otros como los residuos pueden ocasionar gases que afectan también a la salud humana; en segundo reto plantean la parte de compromiso de los gobiernos y las comunidades.
2.1.2 Antecedentes nacionales. En el caso colombiano, la preocupación por la variable ambiental como parte integrante del trabajo de la geotecnia, también tiene antecedentes documentales, no obstante, éstos no tienen el nivel de actualización de los internacionales; hecho que justifica la elaboración de este documento.
En el año de 1995 Hermelin6 entrega un documento de reflexión sobre la necesidad de mantener un equilibrio entre la tierra y el desarrollo, resaltando cómo nuestros antepasados americanos antes de la colonización mostraron armonía en este sentido, sin embargo exalta cómo Colombia ha iniciado una tarea de recuperación del terreno perdido en busca de un nuevo equilibrio a través de la legislación ambiental. Destaca que en el campo de las ciencias de la tierra, para la época se hablaba del cambio climático, la gestión del entorno natural y la identificación de amenazas naturales. Entre los problemas que se vislumbraban para le época, el autor hablaba de la exposición de las vertientes de los altiplanos de las cordilleras a fenómenos catastróficos cuya frecuencia y magnitud deben ser estudiados por medio de las ocurrencias y depósitos que los originan. Estos problemas se enmarcaban dentro de una ciencia conocida como la geomorfología.
En el 2004, Rodríguez7 preocupado por la formación de los profesionales en Geotecnia y su perfil competitivo internacional presenta los desarrollos de esta disciplina mediante el uso de herramientas de las matemáticas en la mecánica y las soluciones químicas y técnicas modernas de construcción, así como ejemplos
5
BOHNHOFF Gretchen, y SHACKELFORD Charles.Global Geoenvironmental Engineering Challenges. 2010. The first US-India Workshop on Global Geoenvironmental Engineering Challenges. New Delhi (India).
6
HERMELIN Michel. Las ciencias de la tierra y el medio ambiente en Colombia. Revista Colombiana de Ciencias. 1995. Vol. 19. No. 75. p. 695-703.
7
19
prácticos en el campo de la geotecnia en Bogotá. De esta manera se avanza en el esclarecimiento y actualización de la disciplina geotécnica pero no se aborda la variable ambiental.
En el año 2006, Rebata et al.8 presentan un resumen sobre un encuentro latinoamericano de profesores de Geotecnia, en donde se debatieron las necesidades y desafíos de esta disciplina en Latinoamérica, se compartieron las herramientas y la solución de problemas comunes, y se establecieron nuevas líneas de investigación colaborativa. Entre los desafíos que concluyeron se enuncian: la geotecnia ambiental, los suelos inusuales, la geotecnia sísmica y la estabilidad de taludes. Aun cuando el informe resaltó la necesidad de fortalecer la variable ambiental en la geotecnia, no se realizaron exposiciones de trabajos sobre el tema o se profundizó sobre este. Este último informe no solo demuestra la importancia de la variable ambiental que ha incitado además a la generación de una nueva disciplina, la ingeniería geotécnica o geotecnia ambiental, sino que también justifica la necesidad de un trabajo documental como el que aquí se propone para sentar bases para la discusión.
2.2 MARCO REFERENCIAL
2.2.1 Tipos de depósitos para desechos. En el campo ambiental de la ingeniería se puede decir que existe la necesidad de realizar análisis a los depósitos para materiales secos y de contenido acuoso. La ingeniería geotécnica es quien se ha ocupado de estos temas pero cuando ingresa la variable ambiental, es decir la conservación de estos terrenos o masas de agua en su estado natural, preservando la naturaleza y la salud de los seres vivos incluyendo el hombre, se puede hablar de la Geotecnia Ambiental. Ésta, no solo es útil para la prevención de la contaminación de los escenarios naturales sino que también es útil en la rehabilitación de los mismos9. Para lograr estos objetivos, ésta área de la ingeniería realiza diseños y construcciones, a la par que realizainvestigaciones en cuanto a nuevas técnicas de recolección y disposición de residuos, nuevos materiales para realizar las construcciones así como seguimientos y pruebas sobre las soluciones ya implementadas10. Dentro de las diferentes situaciones que se analizan, se encuentra la del almacenamiento de residuos sólidos, el cual es realizado con alguna de las siguientes técnicas: mediante la formación de pilas de residuos orgánicos o minerales, cerrando valles o riachuelos, estabilizando cumbres o cerros, rellenando espacios con residuos, botaderos en media ladera. En la decisión sobre qué tipo de botadero se debe utilizar es importante establecer
8
REBATA Verónica, VALDES Julio, y SANTAMARIA Carlos. Encuentro de profesores latinos de Geotecnia. Atlanta (Georgia). 2006. Revista Internacional de Desastres Naturales, Accidentes e Infraestructura Civil. Vol. 6. No. 02. p. 107-110
9
OLEA FRANCO, Pedro y SANCHEZ DEL CAPRIO, Francisco. Manual de técnicas de investigación documental para la enseñanza media. Esfinge. 1999. p. 106
10
20
o decidir sobre el costo del transporte, la topografía del sitio, el transporte hasta el lugar, y el volumen de material apilado11.
En el caso del almacenamiento de desechos húmedos orgánicos o de minerales es apropiado el uso de embalses o diques construidos en un encerrado de valles, mediante diques o bordes artificiales de contorno que por lo general deben ser excavados completamente o en depresiones naturales.
2.2.2 Presas o diques de relave. Específicamente en las situaciones donde se utiliza depósitos superficiales con retención de desechos industriales es posible dividir éstos en dos tipos: ya sea utilizando presas o diques de tipo convencional y mediante rellenos hidráulicos construidos por etapas12.
En el caso de las presas de tipo convencional se puede utilizar para construir con materiales de tipo estéril utilizando el mismo mineral que se extrajo en dicha área o en definitiva de materiales que se han traído de otro lugar, para lo cual se puede utilizar métodos que comúnmente se utilizan en ingeniería. De estas estructuras se puede llegar a construir una forma viable en momentos donde el volumen de agua o afluentes industriales no han sido reciclados y han sido almacenados junto con el relleno13.
Estas estructuras que se han construido mediante un proceso por etapas se pueden clasificar en los siguientes tipos de métodos de construcción: relleno aguas arriba y en línea central, y relleno construido aguas abajo. Con esta clasificación se intenta presentar el enfoque constructivo teniendo como referencia la dirección del avance del relleno a partir del dique o presa que inicialmente se tenía, el cual irá tomando forma en la medida que aumenta en altura.
Para estos métodos es importante establecer que para una misma altura del relleno, embalse o presa, se emplea un mayor volumen de material cuando se emplea el método aguas abajo, mientras que la empleada por el mecanismo de aguas arriba tiene como desventaja el uso como apoyo de cimentación los insumos depositados, que por lo general no se consolidan totalmente. Por otra parte, las características de estos diques muestran resultados diversos con respecto a los materiales de contención utilizados, debido a que en una presa estructurada con tierra convencional, el sentido de la fuerza que ejerce el agua que va en descenso aumenta las fuerzas de fricción en la presa en su cara de fundación o cimentación. En una presa de relaves donde la construcción se
11
BOSQUE, Teresa y RODRÍGUEZ, Tomás. Investigación documental.Trillas. 1988
12
KAVZANJIAN, G., MATASOVIC, N., BONAPARTE, R. y SCHMERTMANN, G. "Evaluation of MSW propoerties for seismic analysis" Geoenvironmental 2000, New Orleans, USA. 1995
13
21
realiza con el método aguas arriba, las presiones del agua generan una fuerza ascendente que desestabiliza el sistema14.
Otra consideración importante es tener en cuenta el factor que incide en los movimientos sismológicos en la estabilización de las presas de relave. Una buena cantidad de las fallas que se han registrado son producidas por el efecto de los terremotos que adicionalmente pueden originar fenómenos de licuación, pudiendo originar la falla catastrófica con las consecuentes pérdidas materiales y humanas15.
De esta misma forma, es requiere prever que podrán ocurrir otro tipo de accidentes y fallas por una inestabilidad en el apoyo de la cimentación, el flujo y/o las filtraciones incontroladas, los diques y los muros de arranque inadecuados, o el mal funcionamiento del sistema de deposición, las vibraciones producidas por explosiones en la mina, erosión por lluvia, etc. En estos casos por lo general es posible elaborar un diseño en forma adecuada haciendo uso de la geotecnia ambiental16.
2.2.3 Revestimiento e Impermeabilización. La impermeabilización de las estructuras que se construyen para el almacenaje de los residuos industriales o mineros y la protección del suelo, es un objetivo principal en la minimización de las infiltraciones de efluentes líquidos contenidos en los residuos contaminantes, generando un daño ambiental por tales infiltraciones por su capacidad de generar alteraciones en la estructura constitutiva de las aguas superficiales y subterráneas. Para llegar a estos objetivos existen tres métodos de impermeabilización17:
Impermeabilizar mediante el uso de materiales naturales, y a partir de suelos arcillosos o si es posible mediante mejoras con aditivos que disminuyan la permeabilidad y que sean mejores en cuanto a la forma de trabajarlos y disponerlos.
Impermeabilizar mediante materiales artificiales, a partir de productos elaborados con membranas de PVC y caucho (jebe), y otros a base de emulsiones asfálticas.
Impermeabilizar mediante materiales naturales y artificiales, mezclando las formas explicadas en los dos apartados anteriores.
En términos generales, sin importar la solución que se adopte, se debe tener en cuenta las características de la construcción que se implementará en el lugar, se
14
CARRILLO Gil, A. "La ingeniería geotécnica y el control del medio ambiente" Conferencia Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo, Lambayeque, 1990. Perú
15
MITCHEL K., y JABER M. Factores de control a largo plazo de los muros de contención de gramilla. Sistemas de contención de residuos. 2006.
16
CAZARES. Op cit. 1991
17
22
debe también tener un adecuado sistema de drenaje mediante la construcción de sistemas drenantes, drenes con tubos perforados o ranurados, los cuales actúan dependiendo de las necesidades del proyecto18.
Existe una serie de efectos debidos al funcionamiento de los sistemas de drenaje y los de impermeabilización asociados. Estos efectos son19:
Disminución de la fuerza o presión del agua sobre la superficie impermeabilizada.
Aceleración del proceso de aumento de densidad de los residuos acopiados. Mitigación de eventuales niveles de presión que son menores al aconsejado
sobre la impermeabilización, en especial durante la etapa de la construcción. Orientación de la forma más adecuada de las infiltraciones contaminantes a
través del sistema impermeabilizante.
Tomando en consideración los métodos de construcción y funcionamiento de los sistemas de revestimiento actuales, es inminente la necesidad de realizar una revisión a las propiedades generales de los insumos que constituyen estos revestimientos, es decir las arcillas y geosintéticos (tales como geotextiles, geomembranas, georedes, geonets, entre otros.
Según la referencia de la Environmental Protection Agency-US EPA20, en los Estados Unidos se tiene estipulado que las arcillas a utilizar deben tener un coeficiente de permeabilidad mínimo de k = 10-7 cm/s o menos. Para llegar a este valor el suelo arcilloso debe cumplir con las siguientes características21:
Contener al menos un 20% de granos finos.
El Índice Plástico no debe superar el valor de 10. Suelos que tienen un Índice Plástico tan grande como 30 son muy difíciles de trabajar en el campo.
El suelo no deberá tener más de 10% de grava.
El suelo no deberá contener partículas grandes o bolos de roca mayores de 1" a 2" de diámetro efectivo.
En muchos casos los materiales encontrados en el lugar de la construcción pueden ser a menudo no-plásticos. En estos casos deben mezclarse con arcillas o bentonita sódica con el fin de reducir el coeficiente de permeabilidad y por lo tanto impedir que lo líquidos contaminantes actúen.
18
MORALES Jorge y CADAVID Gilberto (1984), Investigaciones Etnohistóricas y Arqueológicas en el área Guane. Bogotá, FIAN, Banco de la República, 163 p
19
BRAJA Das. Principios de ingeniería geotécnica y geotecnia ambiental. PWS Publishing. 2004. Boston.
20
EPA (Environmental Protection Agency). "Requirements for hazardous waste landfill design". Pub EPA 625/4-89-022, Cicinnati, Ohio, 1989. USA
21
23
3. DISEÑO METODOLÓGICO
3.1 TIPO DE ESTUDIO
Este trabajo se puede tipificar como una investigación documental basados en la definición de Baena22 quien afirma que “la investigación documental consiste en la selección y recopilación de información por medio de la lectura crítica de documentos y materiales bibliográficos, de bibliotecas, centros de documentación e información”. Este estudio cumple las características anteriormente mencionados puesto que el material y/o documentos utilizados se han extraído de un tipo especial de centros de documentación e información conocidos como bases de datos. Las bases de datos utilizadas para el desarrollo de este trabajo se referencian en el siguiente apartado.
En cuanto a la característica de la investigación documental sobre la lectura crítica se ha utilizado como criterio la selección y recolección de información para contestar las preguntas de investigación, guardando siempre coherencia con los resultados esperados.
3.2 MÉTODOS Y TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE DATOS
Básicamente, el método de trabajo fue la consulta bibliográfica y cómo técnica se emplearon las fichas documentales donde se iban tomando notas de la información encontrada que posteriormente se analizó y mediante un mapa conceptual se dio un hilo conductor o relación entre los diferentes conceptos.
Es importante comentar que para la consulta bibliográfica solo se utilizaron bases de datos disponibles por la universidad, como: EBSCO, ScienceDirect, y Ambientalex.info:
22
24
4. BREVE PERSPECTIVA HISTÓRICA DE LA VARIABLE AMBIENTAL DENTRO DEL CAMPO DE LA GEOTECNIA
Algunas de las principales preocupaciones de los años 80 en la geotecnia era la capacidad para medir con precisión la conductividad hidráulica (k) de todo tipo de geomateriales, incluyendo acuitardos naturales, revestimientos de arcilla compactada (CCL), barreras verticales (por ejemplo, paredes de corte), y cubiertas utilizadas en los sistemas de contención de residuos, los efectos de las soluciones químicas (por ejemplo, los lixiviados) en la k de los suelos (en adelante denominada "permeabilidad"), el papel del transporte de contaminantes a través de los CCL y los problemas asociados con el control deficiente o marginal de la calidad en la construcción de ingeniería de sistemas de contención. La preocupación por la integridad de los CCL surgió debido a los problemas relacionados con factores tales como la incompatibilidad entre los CCL y las soluciones químicas que desencadena un aumento significativo de k, y la protección de los CCL frente a los desastres ambientales (por ejemplo, grietas de desecación, congelación y descongelación) durante y después de la construcción. Tales preocupaciones condujeron a la utilización de revestimientos compuestos, en capas relativamente delgadas (0,76-2,3 mm) de materiales de polímero, conocidos como revestimientos de membrana flexible (RMF), y a las láminas impermeables fabricadas en diferentes resinas plásticas (GMLs) de uso hoy en día, las cuales se colocan en la parte superior de y en contacto íntimo con los CCL como un forro.
Hacia el final de la década de 1990, los ingenieros geotécnicos siguieron centrándose en la medición de la k de los CCL en el campo en relación con experimentos a escala en el laboratorio, así como otros problemas asociados con los sistemas de contención de residuos, tales como la compresibilidad de los RSU (Residuos Sólidos Urbanos) y nuestra capacidad para predecir los asentamientos de los RSU en los vertederos. El advenimiento del interés en el uso de una amplia variedad de materiales geosintéticos distintos de GMLs, tales como geotextiles, georedes, y geocompuestos, comenzaron a aumentar alrededor de 1990, y el revestimiento de arcilla geosintética (GCL), que consiste en una capa delgada de bentonita de sodio intercalada entre dos geotextiles, unidos por costuras y/o encolado, se introdujo en el mercado.
Los ingenieros geotécnicos comenzaron a entender que su capacidad para abordar las cuestiones relacionadas con el transporte de contaminantes y la permeabilidad se basó en gran medida en la comprensión de los conceptos en los campos de la química y la hidrología subterránea y la necesidad de incorporar estos nuevos conocimientos en la educación formal de los ingenieros geotécnicos.
25
de eliminación y recogida de los lixiviados en los vertederos, (ii) la capacidad para predecir los asentamientos de residuos, y (iii) el conocimiento de las propiedades de geosintéticos utilizados en instalaciones de contención de residuos. Las cuestiones relacionadas con la estabilidad de los residuos y de los sistemas de contención de residuos bajo condiciones de carga tanto estática como dinámica también llegaron a la vanguardia en la década de 1990.
Desde finales de la década de 1970 hasta principios de 1990, los ingenieros geotécnicos también comenzaron a centrar sus esfuerzos en abordar las cuestiones relacionadas con la evaluación y remediación o limpieza de los sitios contaminados. Estos esfuerzos involucraron la cooperación con otras disciplinas, como la Geología, Ingeniería Química e Ingeniería Ambiental. Mientras que los profesionales de estas otras disciplinas pueden haber poseído un mayor conocimiento de los procesos químicos y biológicos inherentes a muchas de las tecnologías de tratamiento que se estaban desarrollando en ese momento específico, su experiencia se enfocaba principalmente en los sistemas de construcción o limpieza de los sistemas de tratamiento, lo que es diferente a los sistemas de disposición de desechos. Así, los ingenieros civiles, ingenieros geotécnicos eran capaces de contribuir con su conocimiento en los sistemas de ingeniería civil en general y el comportamiento de los suelos en particular, al desarrollo y evaluación de sistemas de tratamiento para la remediación de sitios contaminados.
26
Como se desprende de esta breve perspectiva histórica, los ingenieros geotécnicos han jugado un papel importante en la solución de problemas ambientales de manera formal por lo menos un el último cuarto de siglo. Durante este período de transición, la importancia de las cuestiones ambientales en la Ingeniería Geotécnica ha crecido hasta el punto de que una nueva sub-disciplina emerge, comúnmente conocida como Geotecnia Ambiental, la cual intenta ser hoy reconocida. En reconocimiento del impacto histórico de las cuestiones ambientales en Ingeniería, el objetivo de este trabajo es mostrar algunos de los problemas ambientales actuales y futuros de la Ingeniería. En este sentido, se describen siete problemas ambientales actuales y/o futuros de la Ingeniería, incluyendo:
a. Estabilidad a largo plazo de los sistemas de contención de residuos b. La aceptación de las barreras alternativas y materiales de contención c. La necesidad de barreras y materiales innovadores para su construcción
d. La aparición de nuevas formas de residuos, (5) el aumento de la importancia de los procesos biológicos
e. El papel de los modelos, y
f. La importancia de la identidad profesional y la necesidad de una terminología coherente y profesional.
La importancia de cada tema se ilustra a través de uno o más ejemplos en el siguiente capítulo.
Dentro de la evolución de la gestión ambiental en la geotecnia vale la pena presentar los avances en la práctica sobre esta temática. Un ejemplo de esto lo constituye GA en Chile23. Esta empresa desarrolla proyectos de tipo geotécnico pero con énfasis en variables ambientales como: mecánica de suelos para el emplazamientos de líneas de alta tensión, diseño geotécnicos para la ampliación de depósitos de ripios, análisis de estabilidad mecánica para el cierre de depósitos de residuos mineros, ingeniería para envases y la contemplación de las variables ambientales, y la ampliación de los rellenos sanitarios.
23
27
5. PROBLEMAS Y EJEMPLOS DE LA GEOTECNIA AMBIENTAL: PRESENTE Y FUTURO
5.1 ESTABILIDAD A LARGO PLAZO DE LOS SISTEMAS DE DISPOSICION DE DESPERDICIOS.
La fecha exacta de cuando se comenzó a utilizar los sistemas actuales de contención de residuos es incierta, pero el uso de revestimientos en los sistemas de contención de residuos para proteger la calidad del agua subterránea se ha practicado en algunos tipos de rellenos sanitarios en varias partes del mundo desde mediados de los años 7024. Este período de tiempo corresponde también, en cierta medida, con los acuerdos multilaterales en materia ambiental en el orden mundial. Desde entonces, el uso de sistemas de disposición de residuos en vertederos, embalses de superficie, y pilas de residuos se ha generalizado cada vez más, y la complejidad y las capacidades de estos sistemas han mejorado progresivamente. De hecho, la eliminación en vertederos sigue siendo el método más utilizado para tratar los RSU y muchos otros tipos de residuos.25
Una revisión relativamente reciente del estado del arte de los modernos sistemas de contención de residuos ilustra que tales sistemas son hasta la fecha exitosos en términos de minimizar la posibilidad de contaminación de las aguas subterráneas26. A pesar de los sistemas modernos de revestimientos para la contención de residuos aún existen problemas por fugas; sin embargo las tasas de fugas suelen ser lo suficientemente bajas para que las descargas en masa de los contaminantes se limiten a las tasas que permiten la atenuación de los contaminantes por procesos ambientales naturales y sin efectos perjudiciales significativos para la salud humana y el medio ambiente. Sin embargo, se requiere de que los lixiviados generados por los vertederos sean evaporados para aumentar la vida activa del vertedero, más un período posterior al cierre de 30 años. Teniendo en cuenta la edad relativamente joven de los sistemas de contención de residuos modernos, y la modificación periódica de la normativa que regula la eliminación de residuos, este período de 30 años aún no se ha cumplido para ningún vertedero. Como resultado de ello, se requiere una evaluación continua de las modernas instalaciones de contención de residuos para asegurar que el rendimiento a largo plazo de estas instalaciones proteja la calidad del agua subterránea, el medio ambiente y la salud humana. Por lo tanto, el rendimiento a largo plazo de las modernas instalaciones de confinamiento de residuos seguirá siendo un problema ambiental de interés para los ingenieros geotécnicos en el futuro previsible.
24
BONAPARTE, R., DANIEL, D. E., y KOERNER, R. M. Evaluación y recomendación para la mejora del rendimiento de sistemas de contención de aguas residuales. 2008. EnvironmentalProtection Agency. Estados Unidos.
25
Idem.
26
28
En este sentido, se proporcionan dos ejemplos de algunos datos recientes para ilustrar la importancia potencial de este problema, a saber, (1) la reciente aparición de Compuestos Orgánicos Volátiles (COV) en lisímetros por debajo de los revestimientos en vertederos, y (2) la conductividad hidráulica de los revestimientos de arcilla geosintéticos (GCL) sometidos a la permeación prolongada con soluciones de sales inorgánicas.
5.1.1 Compuestos Orgánicos Volátiles. En el mundo es muy conocido que se instalen grandes lisímetros colectores27, aproximadamente de 10 metros (drenajes) directamente debajo del revestimiento de cada celda del relleno sanitario forrado para monitorear la cantidad y la calidad del agua descargada a través del revestimiento (Véase la Figura 1). Un reciente análisis del líquido recogido en algunos de estos lisímetros indica que una amplia variedad de compuestos orgánicos volátiles en diversas concentraciones han aparecido con diferentes frecuencias. Las concentraciones superiores a los niveles máximos de contaminantes (MCL) se han encontrado en 90 de las 1200 muestras (8%) a partir de células con revestimientos que contienen principalmente geomembranas, tolueno, tetrahidrofurano, diclorometano, benceno, y etil-benceno28.
Figura 1. Esquema típico de la instalación de un lisímetro colector debajo de una capa de arcilla compactada para una instalación de residuos sólidos
Fuente: autor del proyecto
En general, las tendencias temporales en las concentraciones de COV no han sido contundentes, sino que éstas tienden a fluctuar alrededor de algún valor medio29. Las concentraciones encontradas de diclorometano presentan una mayor cantidad de la que se espera (Figura 2). Otro aspecto interesante de los datos recogidos
27
En inglés la palabra es lysimeters
28
Idem.
29
Idem
Residuo Sólido
Capa de Arcilla Compactada
Geomembrana
29
hasta ahora es que las concentraciones de COV en los lisímetros tienden a ser en promedio alrededor de 5 a 10 veces menor que la concentración en el lixiviado30, por lo que se puede concluir que el esquema con capas de arcilla compactada funciona pero aún no es confiable con respecto a los límites esperados.
Por último, las concentraciones de diclorometano (DCM) recogidos en lisímetros debajo de las células revestidas de material compuesto se comparan con los de las células de arcilla forradas en los diagramas de caja que se muestran en la Figura 3.
Figura 2. Concentraciones de diclorometano en un lisímetro colector
Fuente: elaborado a partir de datos en Benson y Edil. 2004.
NMC = Nivel Máximo de Contaminante ALP = Acción Límite de Protección
La línea central de cada caja representa la mediana de los datos, los bordes inferior y superior de cada caja representan el rango intercuartil (es decir, 25 al percentil 75), y las líneas exteriores o "bigotes" representan los percentiles 5 y 9531. Como se muestra en la Figura 3, las concentraciones de DCM en lisímetros debajo de células conformadas por compuestos no tienden a ser más bajo que los recogidos debajo de las células conformadas sólo con arcilla compactada. Esta similitud en las concentraciones de DCM no es necesariamente sorprendente,
30
Idem.
31
ALBRIGHT W. H, BENSON C. H., GEE G. W., ROESLER A. C., y ABICHOU T, APINMANTRAGOON P., LYLES B. F., y ROCK S.A. Balance de agua en un campo de relleno. Journal of Environmental Quality. 2004. Vol. 33. No. 6. p. 2317-2332
C
o
n
c
e
n
tr
a
c
ión
(
u
g
/L
)
1000
100
10
1
0.1
1 2 3 4 5 6 7 Tiempo (años)
NMC
30
dado que las geomembranas típicamente proporcionan poca resistencia a la difusión de compuestos orgánicos volátiles32.
Figura 3. Comparaciones del diagrama de caja de las concentraciones de diclorometano en lisímetros debajo de células de arcilla y de materiales compuestos.
Fuente: elaborado a partir de datos en Benson y Edil. 2004.
ALP = Acción Límite de Protección RE = Refuerzo Estandard
La existencia de componentes orgánicos volátiles en los lisímetros no se preveía, principalmente porque tradicionalmente los revestimientos han sido más gruesos que los exigidos por las regulaciones ambientales. Por ejemplo, antes de 1996, las células de rellenos sanitarios se construían con un mínimo de 1,524 m de arcilla compactada, que era 67% mayor que el espesor mínimo de 0,914 m de arcilla compactada requerido por la regulación. Con posterioridad a 1996, la regulación ha requerido un revestimiento de material compuesto que consiste en un revestimiento de geomembrana (GML) suprayacente y en contacto íntimo con 1,219m de arcilla compactada. Aunque este requisito para un revestimiento compuesto es consistente con los requisitos actuales, el espesor mínimo de la porción de arcilla compactada de los revestimientos construidos es hoy en día 100% más grueso (1,219 vs 0,610 m) que la exigida. Sin embargo, las muy bajas concentraciones observadas hasta la fecha sugieren que los revestimientos en los vertederos de la ingeniería moderna han funcionado bien, al menos para el marco
32
EDIL T. B. Una revisión de los transportes VOC en fase acuosa en revestimientos de rellenos sanitarios modernos. Waste Management. 2003. Vol. 23. No. 7. Pág. 561-571.
4 3 2 1 0 -1 -2 L o g . C o n c e n tr a c ión ( u g /L )
Arcilla Compuesto RE
31
de tiempo relativamente corto de rendimiento (aprox. 10 a 20 años ), y los efectos de los procesos de atenuación natural como la dilución, la adsorción y degradación probablemente harán que las concentraciones de estos compuestos orgánicos volátiles estén por debajo de los niveles detectables en el momento en que los contaminantes lleguen al punto de cumplimiento según las normas33. Sin embargo, el historial de rendimiento es relativamente corto para el seguimiento continuo de estos y otros vertederos y serán necesarios realizarlos en el largo plazo, antes de sacar conclusiones definitivas respecto al rendimiento de los sistemas modernos de contenedores de residuos.
5.1.2 Intercambio de cationes y la conductividad hidráulica a largo plazo en Revestimientos Geosintéticos de Arcilla (GCL). Los Revestimientos Geosintéticos de Arcilla manufacturados (GCL) se componen de láminas delgadas (aprox. 10 mm) de bentonita de sodio intercalados entre dos geotextiles y se mantienen unidas por una costura con agujas, y/o encolado; estos se han convertido cada vez más en el preferido para uso en revestimientos y cubiertas para sistemas de contención de residuos, principalmente debido a la facilidad de construcción y su costo relativamente bajo. Sin embargo, los resultados de varios estudios han demostrado que el intercambio de cationes de calcio-por-sodio puede reducir la capacidad de hinchamiento de la bentonita en los GCL después de la hidratación y en última instancia a la desecación de la bentonita y el pobre rendimiento hidráulico de los GCL34. El calcio se deriva de los suelos circundantes, y migra en el GCL por lo general en condiciones insaturadas presumiblemente en respuesta tanto a los gradientes hidráulicos (de succión) y químicos.
Por ejemplo, asúmase un GCL que se utiliza en una instalación de contención para un tanque de almacenamiento de petróleo desecado. La extracción del complejo de cambio de la bentonita en el GCL reveló que los cationes de sodio que originalmente dominaron el complejo de intercambio habían sido reemplazados por cationes de calcio presumiblemente a través de flujo o difusión desde el suelo de la cimentación subyacente en condiciones de insaturación. En otros casos, la exhumación del GCL colocado en sistemas de cobertura, se ha observado que se han vuelto extremadamente desecados (por ejemplo, véase Figura 4) debido al intercambio catiónico resultante de la lixiviación de los suelos ricos en calcio colocados sobre los GCL para su protección35.
33
BENSON y EDIL. Op cit. 2004.
34
JO H. Y., BENSON C. H., y EDIL T. B. Conductividad hidráulica y de intercambio catiónico en bentonita no prehidratada y prehidratada impregnados con soluciones de sales inorgánicas débiles. 2004. Clays and ClayMinerals. Vol. 52. No. 6. Pág. 661-679.
35
32
Figura 4. Fotografía de bentonita desecada
Fuente: BENSON C. H. y EDIL T. B. Un contenedor de membrana de polímeros como barrera. 2002 Environmental Science and Technology. .
La desecación resulta de la capacidad de hinchamiento de la bentonita, la cual se reduce significativamente ante el cambio del complejo dominado por cationes de calcio, de tal manera que la re-hidratación de la bentonita da lugar a una hinchazón para cerrar las grietas. Aunque los análisis forenses postconstruction revelan la causa de la desecación y el bajo rendimiento resultante de los GCL, no existe una comprensión fundamental de los mecanismos asociados con la migración de calcio (u otros cationes multivalentes) adquiridos. Tal comprensión puede ser importante, por ejemplo, en términos de la determinación de las medidas para prevenir tal desecación e introducir parámetros en el diseño.
El efecto de las sales invasoras (es decir, cationes) también tiene implicaciones importantes en términos del rendimiento hidráulico a largo plazo del GCL utilizado como capa o componente del revestimiento en las instalaciones de contención de residuos. Por ejemplo, considérese el siguiente caso: basado en pruebas de conductividad hidráulica de la permeabilidad del GCL con soluciones químicas que contienen diferentes concentraciones de cloruro de calcio (CaCl2). Los
especímenes no-prehidratados fueron expuestos a las soluciones de CaCl2
durante 48 horas antes del inicio de la permeación con las soluciones de CaCl2,
mientras que los especímenes prehidratados se impregnaron con agua desionizada durante periodos prolongados de tiempo (> 1 año) antes de la permeación con las soluciones de CaCl2. Para todas las pruebas, el gradiente
hidráulico (i) aplicado para la permeación fue aproximadamente de 200, y todas las pruebas se llevaron a cabo hasta el equilibrio químico entre el efluente y el influente en términos de calcio (Ca2+), cloruro (Cl-), y la conductividad eléctrica fue
33
La conductividad hidráulica de todos los especímenes de GCL aumentó con el tiempo del equilibrio químico que se haya establecido, a mayores aumentos en la conductividad hidráulica y duraciones más cortas de prueba generan un aumento de la concentración de CaCl2. En el caso de los ensayos efectuados utilizando
soluciones con concentraciones inferiores a 5, 10, y 20 m-m de CaCl2, las
duraciones de las pruebas que se requieren para lograr el equilibrio químico oscilaron entre los 0,5 a 1,5 años para los especímenes no-prehidratados y en alrededor de 1,3 a 2 años para los especímenes prehidratados. Las mayores duraciones en las pruebas que utilizaron soluciones con las concentraciones más bajas de CaCl2 se pueden atribuir, en parte, a la menor tasa de carga de Ca2+, la
cual requiere un mayor tiempo para el intercambio de equilibrio con el sodio (Na+) inicialmente en el complejo de intercambio con la bentonita36. Las duraciones más largas para los especímenes prehidratados en relación con los especímenes no prehidratados se pueden atribuir, en parte, a la conductividad hidráulica menor obtenida como resultado de la inflamación de la bentonita debido a la permeación con agua desionizada (aunque esta observación no es fácilmente observable para las pruebas que utilizan soluciones de 5, 10, y 20 mM de CaCl2).
5.2 BARRERAS CON MATERIALES ALTERNATIVOS
Las barreras alternativas son aquellos forros o fundas para los sistemas de contención de residuos, que se utilizan en lugar de las barreras reguladas o prescritas, tal como los resumen Koerner et al.37, pero que tienen un rendimiento equivalente o mejor con respecto a las barreras reguladas. Los materiales de contención alternativos se refieren a los materiales utilizados como barreras alternativas o como componentes de las barreras alternativas, y pueden estar constituidos por materiales no-poliméricos o diferentes a materiales del suelo, tales como el asfalto38 y residuos de la fabricación de papel39, o de suelos poco comunes que pueden ser capaces de lograr las propiedades prescritas (por ejemplo, k ≤ 10-7
cm / s), como algunos suelos residuales o lateríticos40. La
36
JO H. Y., BENSON C. H., SHACKELFORD C. D., LEE J.M. y EDIL T. B. Conductividad hidráulica a largo plazo de un revestimiento de arcilla geosintéticos (GCL) impregnado con soluciones de sales inorgánicas. 2005. Journal of Geotechnical and Geo-environmental Engineering. Vol. 131. No. 4
37
KOERNER J. R., SOONG T. Y., y KOERNER R. M. A Survey of Solid Waste Landfill Liner and Cover Regulations: Part I-USA Status. Geosynthetics Research Institute. 2008
38
BOWDERS J. J., LOEHR J. E., NEUPANE D., y BOUAZZA A. 2003. Construction quality control for asphalt concrete hydraulic barriers.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. Vol. 129. No. 3. p. 219-223
39
OCHOLA C. y MOO-YOUNG H. K. Evaluación de la atenuación de metal a través de la arcilla de papel utilizado para la contención de agua subterránea contaminada. 2004. Journal of EnvironmentalEngineering. Vol. 130. No. 8. p. 873-880.
40
34
consideración del uso de barreras alternativas y materiales alternativos en una barrera se toma en cuenta normalmente cuando;
(A) Por cuestiones de costo,
(B) los materiales adecuados no son fácilmente disponibles, y / o
(C) la preocupación por las consecuencias potenciales de un pobre rendimiento que superan lo normalmente requerido o exigido.
En términos de cubiertas, el interés en el uso de cubiertas alternativas de tierra (AEFCs) con respecto a las cubiertas reguladas o prescritas (es decir, las cubiertas de compuestos o arcillas compactadas) ha ido ganando aceptación debido a los costes relativamente altos asociados típicamente con las cubiertas prescritas (aprox. 400.000 dólares / ha) y el fracaso de algunas cubiertas de construcción con arcilla compactada en regiones con climas secos (por ejemplo, debido a la desecación)41. Las cubiertas alternativas de barro son compuestas en su totalidad de tierra y son diseñadas con base en los principios del balance de agua para mejorar su rendimiento, tanto o no mejor que los homólogos prescritos y por lo general con una mayor durabilidad y/o de bajo costo.
Como se muestra en la Figura 5, el concepto básico para una AEFCs es proporcionar una capacidad de almacenamiento de agua en el suelo dentro de la AEFC que sea mayor que la necesaria, para almacenar el agua cuando el componente de evotranspiración (ET) del balance de agua sea baja durante el invierno42.
Una última cubierta alternativa de tierra es aquella adecuada para las regiones más secas, donde el potencial de evapotranspiración (PET) supera significativamente la precipitación (P) (es decir, PET>2P), sin embargo la AEFCS también pueden ser construida en climas más húmedos.
41
DWYER S. Alternative landfill covers pass the test. Civil Engineering. 2007 Vol. 68. NO. 9. Pág. 30-52.
42
35
Figura 5. Concepto de capacidad de almacenamiento de agua en el suelo en cubiertas alternativas de barro
Fuente: KHIRE M. V., BENSON C. H. y BOSSCHER P. J. Capillary barriers: Design variables and water balance. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2002.
Aunque existe una gran variedad de conceptos de diseño y terminología para las AEFCS, los dos tipos más comunes de estas cubiertas son las monolíticas43 y las de cubierta de barrera capilar44.
Como se ilustra conceptualmente en la Figura 6, las cubiertas monolíticas o CM (también conocidas como monocovers, cubiertas de almacenamiento y liberación, cubiertas tierra-planta, cubiertas evapotranspirantes o phytocovers) consisten en una relativamente gruesa capa simple de suelo comparativamente fina, y con una gran capacidad de almacenamiento de agua. Por otro lado, las cubiertas de barrera capilar (CBC) son un sistema de dos capas que consiste en un suelo de textura relativamente fina que recubre un suelo de textura relativamente gruesa (Figura 6). Una CBC se basa en el concepto de la ruptura capilar que se produce entre el suelo de textura más fina y el suelo de textura más gruesa bajo las condiciones de un suelo insaturado.
43
ALBRIGHT et al. Op cit. 2004.
44
SPONZA D. T., y AGDAD O. N. Impact of leachate recirculation and recirculation volume on stabilization of municipal solid wastesin simulated anaerobic bioreactors. Process Biochemistry. 2004. Vol. 39. No. 12.Pág.2157-2165
SWS
ET
Capacidad de almacenamiento de agua en el suelo
Al ma c e n a mie n to d e a g u a e n e l s u e lo (S W S ) E v o Tr a n s p ira c ión ( E T)
Verano Invierno Verano Invierno Verano
36
Figura 6. Corte de sección de dos de las principales cubiertas alternativas de tierra fina
Fuente: SPONZA D. T., y AGDAD O. N. Impact of leachate recirculation and recirculation volume on stabilization of municipal solid wastesin simulated anaerobic bioreactors. Process Biochemistry. 2004.
Para la CBC, siempre que la succión en la interfaz de las dos capas () sea mayor que la succión en la intersección de las curvas de la conductividad hidráulica en comparación con la succión del suelo para los dos terrenos (es decir, >I), la
conductividad hidráulica insaturada en el suelo de textura más gruesa será más baja que el del suelo de textura más fina de tal manera que se impide el flujo de la infiltración de agua en el suelo de textura más gruesa.
La falla en una CBC se producirá cuando la succión del suelo en la interfaz entre las capas alcanza un valor correspondiente a la curva cerrada en la curva característica de agua del suelo (SWCC) del más grueso cerca del contenido de agua residual45.
Así, una CBC generalmente se considera verosímil sólo en regiones con precipitaciones relativamente pequeñas, como en climas áridos y semiáridos. Sin embargo, incluso en las regiones áridas y semiáridas, es necesario prever un drenaje lateral adecuado para la infiltración de agua y minimizar la posibilidad de saturación de la capa más fina, sobre todo cuando la capa más fina es relativamente delgada.
45
KHIRE et al. Op cit. 2010.
Parte superior Parte superior Capa de Suelo de Grano Fino Capa de Suelo Fino Cubierta Interina Cubierta Interina Capa de Suelo más gruesa Cubierta Monolítica Barrera Capilar Suelo Fino L o g . C o n d u c tiv ida d H idr a ú lic a ( k ) Suelo Grueso
Log. Succión del Suelo ()
37
Las ventajas del AEFCs tales como la CM y la CBCS con respecto a los sistemas más tradicionales, referente a cubiertas con una o más capas resistivas con conductividades hidráulicas de baja saturación son las siguientes:
a. Las AEFCs típicamente son menos susceptibles a la desecación y agrietamiento desde donde se pueden construir usando suelos relativamente no-plásticos [por ejemplo, limos de baja plasticidad (ML) y/o arenas limosas de baja plasticidad (SM)];
b. Las AEFCs son relativamente simples de construir ya que su alta capacidad de almacenamiento de agua en el suelo es más importante que el uso de la compactación pesada para lograr una baja conductividad hidráulica saturada; c. Las AEFCs son más económicas ya que se pueden construir usando una
amplia gama de tipos de suelo, por lo general dentro de la misma localidad del sitio en construcción, y
d. Las AEFCS requieren un mantenimiento relativamente bajo después del cierre.
La principal ventaja de una CBC con respecto a una CM es que la ruptura capilar en una CBC esencialmente aumenta la capacidad de almacenamiento de agua del suelo de la textura más fina que recubre el suelo a la que existiría en el caso de una CM. Sin embargo, debido a la exigencia de las dos, las capas de suelo en contraste en una CBC, estas son a menudo más costosas que los MC. Consideraciones para el diseño de AEFCs se pueden encontrar en Parent y Cabral46.
El requisito clave para la aceptación de una AEFC está en el rendimiento mínimo equivalente al de un sistema de cubierta prescrito. Por ejemplo, la EPA de los EE.UU. está llevando a cabo una evaluación del desempeño de las AEFCs en relación con la de las cubiertas prescritas a través del Programa de Evaluación de la cubierta alternativa, o ACAP47. El ACAP consiste en el seguimiento de aquellas cubiertas grandes (10 x 20 m), totalmente instrumentadas con lisímetros de drenaje con secciones que representan las cubiertas convencionales que emplean barreras resistivas o tapas alternativas (CMs y CBCs) construidas en 11 sitios de campo en los Estados Unidos. Las localizaciones de los sitios de campo, incluye climas secos y húmedos, así como climas cálidos y fríos. Basándose en la relación de precipitación (P) a la evapotranspiración potencial (PET).
5.3 BARRERAS Y MATERIALES INNOVADORES
Las barreras y los materiales innovadores de barrera se distinguen de las barreras alternativas y los materiales de contención normales en que los primeros se
46
PARENT S.E., y CABRAL A. Material selection for the design ofinclined covers with capillary barrier effect. Waste Containmentand Remediation (ASCE Geotechnical Special Publication No. 47). 2005.
47
