Artículo de Investigacion Estabilidad de Taludes en Presas de Relaves

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA

ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA GEOLÓGICA

ANÁLISIS DEL ESTABILIDAD DE TALUDES EN PRESAS DE RELAVES CURSO:

Estabilidad de Taludes

PRESENTADO POR:  Astopilco Valiente, Jhon  Bazán Karol

 Díaz León, Miguel  Huatay Jave, Franz  Rojas Urrutia, Cluber  Zambrano infante, Ruth

DOCENTE:

Ing. Cruzado Mejía, Filadelfio

ANÁLISIS DE ESTABILIDAD DE TALUDES EN PRESAS DE RELAVES. Astopilco Valiente, J.* Bazán, C. * Díaz León, M.* Huatay Jave, F.* Rojas Urrutia, C.*

Zambrano Infante, J.*

Estudiantes del curso de Estabilidad de Taludes de la Escuela Académico Profesional de Ingeniería Geológica de la Universidad Nacional de Cajamarca.

RESUMEN

La práctica actual de diseño en un estudio de estabilidad de taludes en presas de relaves ya sea de Talud aguas arriba, Talud aguas abajo, Talud Eje Central o Mixto, se concentra en identificar los factores, además de cuantificar el Factor de Seguridad, para definir si dicha presa es segura o no. Sin embargo no garantiza que dicha estructura se comporte estrictamente dentro de los niveles de estabilidad y deformación. Para determinar la estabilidad, presentamos los parámetros: Tipo de material de la presa de relaves; características físico químicas del suelo de cimentación, material de relave y material de préstamo; Análisis de estabilidad del talud de la presa de relaves. Para estimar las probabilidades de falla en taludes de presas de relaves, presentamos el método de equilibrio Límite. Si la estructura se encuentra en superficie inclinada se toma como criterio la capacidad portante, donde se modifican sus factores. Finalmente se muestra métodos de estabilización: como enrocado, estabilidad química, estabilización vegetativa Palabras claves: Presa de relaves, relaves, Talud, Estabilidad, Factor de Seguridad, Equilibrio Limite.

ABSTRACT

The current design practice in a study of slope stability in tailings dams, whether of upstream Slope, downstream Slope, Central or Mixed Hub Slope, focuses on identifying factors, in addition to quantifying the Safety Factor, to define Whether the dam is safe or not. However, it does not guarantee that this structure behaves strictly within the levels of stability and deformation. To determine the stability, we present the parameters: Type of material of the tailings dam; Physical chemical characteristics of the foundation soil, tailings material and lending material; Tailings stability analysis of tailings dam. To estimate the probabilities of tailings dam failure, we present the Limit equilibrium method. If the structure is on an inclined surface, the bearing capacity is taken as criterion, where its factors are modified. Finally we show stabilization methods: such as casting, chemical stability, vegetative stabilization

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Figura 1: Relavera. Dique y cubeta. 1. INTRODUCCIÓN

Las presas de relaves mineros son estructuras geotécnicas complejas. Presentan algunos aspectos constructivos y de funcionamiento similares a las presas de embalse de materiales sueltos y también importantes y significativas diferencias. La mayor parte de las presas de relaves existentes en la actualidad se han construido mediante el sistema de relleno hidráulico. Las presas tienen tres características que las distinguen de otras estructuras de ingeniería: la acumulación de grandes masas de materiales que sirven para su construcción, la gigantesca cantidad de material en un espacio limitado que produce enormes presiones sobre la cimentación, y la influencia destructora del material almacenado sobre la cimentación y la estructura misma, lo que puede producir filtraciones, erosión y rotura. En consecuencia, los diques dependen de las condiciones de los alrededores, particularmente de la geología del sitio, en un grado mayor que otras obras de ingeniería.

Hoy en día, existe una amplia variedad de métodos dinámicos para la evaluación de estabilidad de estructuras de tierra (presas, depósitos de desechos, y taludes). Estos métodos proporcionan la distribución de tensiones y deformaciones dentro de la estructura cuando ésta está sujeta a una variedad de solicitaciones internas y externas de carga (estática, sísmica, hidráulica, licuación, entre otras). Aunque estos métodos representan las técnicas aún constituye una herramienta ampliamente usada para evaluar la estabilidad de presas y taludes. Esto se debe principalmente a la disponibilidad y fácil uso de este método. Además, muchas regulaciones incluyen criterios de seguridad que involucran este procedimiento.

2. METODOLOGIA

Consistió en la recopilación de información bibliográfica seleccionada de internet, de artículos de revista, papers, de libros y de tesis

3. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA GENERALIDADES SOBRE LOS RELAVES

Una cancha de relaves está constituida por una cube-ta y un dique de contención este último, generalmente formado con la fracción gruesa del relave. El más estable de estos diques es el construido por la técnica aguas abajo (Kealy et al. 1969). En la cubeta los sólidos finos sedimentan y en la superficie se forma una laguna de aguas claras la cual debe mantenerse alejada del dique para conservar su estabilidad como muestra la Figura N° 1.

Toda planta minera produce residuos sólidos denominados “relaves”, los que corresponden a una “suspensión fina de sólidos en líquido”, constituidos fundamentalmente por el material presente in situ en el yacimiento, al cual se le ha extraído la fracción con mineral valioso, conformando una “pulpa”. Esta pulpa presenta una razón aproximada de agua/sólidos del orden de 1:1 a 2:1. Las características y el comportamiento de esta pulpa dependerá tanto de la razón agua/sólidos como de las características de las partículas sólidas (Parga, 2012). En general:

2 - Una masa de relaves con un gran contenido de agua escurrirá fácilmente, incluso con pendientes pequeñas.

- Por otra parte, si el relave presenta un contenido de agua suficientemente bajo (por ejemplo, relaves filtrados) no escurrirá gravitacionalmente.

- Si las partículas sólidas son de muy pequeño tamaño (equivalentes a arcillas), se demorarán un gran tiempo en sedimentar, manteniéndose en suspensión y alcanzando grandes distancias respecto al punto de descarga antes de sedimentar. - Por el contrario, si las partículas sólidas son de mayor tamaño (equivalentes a arenas) sedimentarán rápidamente y se acumularán a corta distancia del punto de descarga.

Las alternativas a utilizar en la depositación de un material de relaves, dependerá de las características de los relaves antes mencionadas, así como de la escasez (costo) del agua, lo cual podría justificar inversiones en equipos para optimizar su recuperación y, de las características del lugar de emplazamiento del depósito de relaves.

Para conseguir estructuras estables para el depósito de relaves, deben determinarse sus características (granulometría, densidad relativa, razón de vacíos, etc.) de manera similar a lo que se hace con los suelos en el caso del desarrollo de obras estructurales sobre estos.

Estas determinaciones permiten también evaluar el cumplimiento de las disposiciones legales contenidas en el Decreto Supremo (D.S.) “Reglamento para la Aprobación de Proyectos de Diseño, Construcción, Operación y Cierre de Depósitos de Relaves”, del Ministerio de Minería.

Opciones para la descarga de los relaves:

a) Descarga del relave completo Se requiere disponer de un volumen de depósito suficientemente grande para permitir almacenar todos los relaves que se producirán durante la vida útil de la planta. Pueden utilizarse cavidades pre-existentes como: rajos mineros abandonados, depresiones naturales en superficie, cavernas naturales, antiguas minas subterráneas abandonadas, etc.

Es importante destacar que, hoy, debido a la legislación ambiental vigente, estas alternativas resulta difícil de ser aceptada por su alta connotación ambiental y deberían realizarse estudios muy completos para demostrar que no se afectara el medio ambiente. Por esto, para la descarga de relaves completos, la técnica ambientalmente aceptable consiste en construir un muro perimetral con talud interno impermeabilizado hecho con material grueso de empréstito, y generar así una cubeta de depositación. Este tipo de depósitos de relaves se denomina “Embalse de Relaves”.

b) Construcción del muro resistente con parte del relave

Esta opción corresponde a tratar los relaves provenientes de la planta antes de ser depositados, de manera de separar la fracción gruesa (arenas de relaves) de la fracción fina (lamas), para poder utilizar la primera fracción como material para la construcción del muro perimetral y descargar la segunda fracción a la cubeta del embalse; la cual, al depositarse sobre el talud interno del muro, ayuda a la impermeabilización del mismo. Al construir el muro utilizando las arenas de los relaves, es posible hacerlo de tres formas de acuerdo al método de crecimiento: crecimiento del muro hacia “aguas arriba”,

3 crecimiento del muro hacia “aguas abajo” y crecimiento del muro según el método de “eje central o mixto”. Cualquiera de estos métodos constructivos conforma a lo se denomina, “Tranques de Relaves”. (Parga, 2012).

c) Material del relave equivalente a un suelo húmedo

Esta opción requiere tratar los relaves provenientes de la planta previo a su depositación, de manera de extraerle una gran cantidad de agua, obteniendo así un material equivalente a un suelo húmedo el cual puede ser depositado sin necesidad de un gran muro perimetral para su contención. Para este propósito existen distintos métodos, entre los más destacados se cuentan: “espesar los relaves”, “filtrar los relaves” y la alternativa más reciente es la de crear lo que se denomina una “pasta de relaves”.

DEPÓSITOS DE RELAVES

Dentro de la disposición de relaves existen diversas formas de depositación.

Dependiendo de diversos factores, como cercanía al concentrador, capacidad de almacenamiento de relaves, topografía del lugar y producción del yacimiento, se realiza la selección del método más apropiado para disponer estos relaves. Atendiendo a lo indicado anteriormente, los distintos tipos de depósitos de relaves que se consideran en la actualidad.

 Tranques de relaves  Embalses de relaves

Figura 2: Esquema de embalse de relaves

 Depósitos de relaves espesados

Figura 3: Esquema de depositación de depósitos de relaves en una ladera

Figura 4: Depósitos de relaves espesados en Vaudreuille, Canadá

Figura 5: Depósitos de relaves espesados en Sunrise Dam Australia.

 Depósitos de relaves filtrados

Figura 6: Depósito de relaves filtrados  Depósitos de relaves en pasta

4 Figura 7: Depósito de relaves espesados

Otros depósitos de relaves

 Depósitos en minas subterráneas en explotación

 Depósitos en minas subterráneas abandonadas

 Depósitos en minas explotadas a cielo abierto

 Depósitos de relaves radioactivos  Depósitos costeros

 Depósitos submarinos

MODELAMIENTO INICIAL DE LAS PRESAS DE RELAVES

Los principales objetivos asociados al diseño de los Depósitos de Relaves son:

 Almacenar en forma permanente y segura los relaves en un depósito diseñado bajo estándares internacionales.

 Evitar la contaminación en zonas aledañas al depósito.

 Construir el depósito de relaves considerando una vida útil no menor a 4 años.

 Obtener el menor costo y el mayor beneficio en la construcción de la etapa  inicial, al utilizar el material excavado del fondo del vaso del depósito (material de relleno) como material en la construcción del dique.

 Instalar sistemas de monitoreo para asegurar que la presa cumple con los criterios de diseño.

ESTUDIOS y CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DEL DEPOSITOS DE RELAVES

- Ubicación del área para el depósito de relaves

- Caracterización del terreno de cimentación desde el punto de vista geológico geotécnico, determinación de las propiedades físicas y mecánicas y parámetros que gobiernan la resistencia y compresibilidad del área de estudio.

 Geología del área de estudio: relieve topográfico

 Geología local  Geología estructural  Geomorfología de la zona

 Investigaciones geotécnicas de campo: Sondajes DPL, Taladros, calicatas, registros de investigación de suelos, resultados de ensayos de penetración y sondajes y determinación de la profundidad del Nivel freático

 Pruebas de laboratorio: Ensayos de laboratorio (Analisis granulométrico, contenido de humedad, densidad máxima y mínima, límite de atterberg, resistencia al corte, peso específico relativo de sólidos, permeabilidad y ensayo de consolidación unidimensional.

Clasificación de los suelos

Perfil del suelo: Se realiza la zonificación geotécnica (S.A.C.).

- Evaluación de las condiciones climáticas e hidrogeológicas y sistemas de drenaje del área de estudio

5  Caudal del diseño

- Evaluación de las condiciones de peligro sísmico del área de estudio.

- Selección del tipo de presa - Balance metalúrgico

- Diseño para construcción del dique de arranque, vaso del depósito de relaves y obras para la estabilización del depósito (S.A.C.).

DISEÑO DE PRESAS DE RELAVE

En la actualidad los muros de contención de depósitos de relave superan sin dificultad alturas del orden de 150 m. Esto se debe, entre otros factores al crecimiento de las explotaciones mineras en nuestro país, junto con el aumento de las tasas de operación que las mismas presentan y a la necesidad de concentrar la disposición de desechos en el menor área posible para reducir al máximo el impacto ambiental. Estos, entre otros factores, han llevado a que el diseño de estas estructuras se haya transformado en un tema de interés nacional, debido a que una falla de proporciones en este tipo de estructuras puede traer aparejados enormes impactos, tanto al medio ambiente como sobre la vida humana (Parga, 2012).

La práctica nacional en el análisis de estabilidad de muros de contención en presas de relave ha avanzado fuertemente, principalmente en los siguientes aspectos:

 Caracterización geotécnica de los materiales de construcción y suelo de fundación.

 Caracterización de la sismicidad del área de ubicación del depósito y determinación de los sismos de diseño.

 Identificación de los métodos de análisis más adecuados.

 Modelación numérica de las obras y del suelo de fundación

DISEÑO DE TALUDES

El diseño del talud del depósito de relaves se considera tres parámetros principales:  Tipo de material de la presa de relaves  Características físico químicas del suelo de cimentación, material de relave y material de préstamo

 Análisis de estabilidad del talud de la presa de relaves.

FACTORES QUE AFECTAN LA ESTABILIDAD DE LAS PRESAS DE RELAVE (Hurtado, 2010):

- Características de sismos potenciales - Propiedades estáticas y dinámica de

los materiales

- Potencial de licuación de suelos - Método de diseño y construcción - Método de análisis sismo

- Resistencia residual de materiales licuados

- Potencial de flujo por deformación - Medidas de remediación

TIPOS DE TALUDES EN PRESAS DE RELAVES:

- Talud aguas arriba - Talud aguas abajo. - Talud Eje Central o Mixto

El diseño de los taludes es diferente en cada caso debido a que sus parámetros varían entre sí.

6 a. Talud aguas arriba.- La pendiente está en función del muro y su altura; y del sismo de diseño. El talud aguas arriba de la presa debe protegerse de la acción destructiva del relave que almacenará, porque al ser depositado en la presa, la parte sólida del relave tendera a sedimentarse y la parte liquida tratara de filtrarse en la presa. Es por eso que después de la compactación del relleno se colocara una manta de geomembrana sobre el cual irá un filtro graduado al pie del talud aguas arriba, para proteger el talud de la filtración de agua.

Figura 8: Esquema de construcción por el método de Aguas Arriba.

b. Talud aguas abajo.- La pendiente del muro resistente ha demostrado ser un elemento clave en la estabilidad sísmica del muro. A menor pendiente, más estable será el muro, pero a su vez mayor será el requerimiento de material de relleno siendo a veces su costo una limitante.

De igual manera que el talud aguas arriba; la pendiente del Talud aguas abajo está en función del muro y su altura; y del sismo de diseño.

El talud aguas abajo debe protegerse de la erosión y la acción del viento y de la escorrentía de lluvia mediante una capa de roca, piedras o césped. Debido a la incertidumbre de obtener adecuada protección mediante una cobertura vegetal, en muchos lugares, especialmente en las regiones áridas, se prefiere la protección

por medio de piedras o roca y debe usarse cuando su costo no sea excesivo. Las capas de 0.60 m. de espesor son fáciles de colocar, pero una de 0.30 m. generalmente suministra protección suficiente.

Figura 9: Esquema de construcción por el método de Aguas Abajo.

Figura 10: Vista frontal de la presa Aguas Abajo.

La presa de relave más segura es la construida con el método aguas abajo, con arena compactada y ciclonaje.

Las presas de relave aguas arriba son muy vulnerables a la licuación y fallo bajo sismos moderador a severos. (Hurtado, 2010).

c. Talud “eje central o mixto”.

Este método se inicia al igual que los métodos anteriores con un muro de partida de material de empréstito compactado, sobre el cual se depositan las arenas ciclonadas hacia el lado de aguas abajo y las lamas hacia el lado de aguas arriba. Una vez completado el

Vaciado de arenas y lamas correspondiente al muro inicial, se eleva la línea de alimentación de arenas y lamas siguiendo el mismo plano vertical inicial de la berma de coronamiento del muro de partida. Esto permite lograr un muro de arenas cuyo eje se mantiene en el mismo

7 plano vertical, cuyo talud de aguas arriba es más o menos vertical, y cuyo talud de aguas abajo puede tener la inclinación que el diseño considera adecuada.

Este método requiere disponer de un volumen de arenas intermedio entre los dos métodos anteriores, y permite lograr muros suficientemente estables.

Figura 11: Esquema de contrucción por el método de Eje Central o Mixto.

ESTABILIDAD DE TALUDES EN PRESAS DE RELAVES

A. Análisis de estabilidad

Los análisis de estabilidad para depósitos de relaves, a pesar de que siguen los mismos procedimientos generales y emplean los mismos métodos básicos de cómputo que las presas de retención de agua, son frecuentemente más complejos, de modo que se requiere un amplio conocimiento de la presión de poros y de la conducta de resistencia para aplicar las técnicas convencionales en una manera racional. (Rennat, 1997).

Lo básico para el análisis de estabilidad es una apreciación de las diferentes fuentes de presión de poros y la forma en las que éstas afectan la interpretación de resistencia al corte. Además, las condiciones de carga para los depósitos de relaves son a veces diferentes de aquellas experimentadas por presas de agua convencionales, dando un énfasis diferente a las diversas condiciones que deben ser consideradas en el análisis

Tabla 1: Procedimientos Generalizados para Efectuar la Estabilidad de Depósitos de Relaves

Mientras que los pasos generales en el análisis de estabilidad de depósitos son conceptualmente simples, las condiciones reales bajo las cuales se debe analizar los depósitos no lo son. Tal como se resume en la Tabla 2.

Los análisis a largo plazo empleando parámetros de resistencia de esfuerzo efectivo son relativamente sencillos, pero se debe examinar cuidadosamente la aplicación de esta condición con el fin de determinar si sus suposiciones inherentes son realmente racionales. Para materiales propensos a un incremento mayor de

8 presión de poros durante el corte con drenaje, la posibilidad de cambios incluso pequeños o localizados durante la carga puede ocasionar que sea necesario efectuar análisis empleando parámetros de resistencia sin drenaje.

 MÉTODOS DE ANÁLISIS DE ESTABILIDAD

a. Métodos de Equilibrio Limite (MEL).

Estos métodos continúan siendo bastante utilizados en la práctica para el cálculo de la estabilidad de taludes,

Principalmente para presas de dimensiones menores.

Aún cuando se han desarrollado una serie de procedimientos distintos dentro de los MEL, en su mayoría se basan en dividir la potencial masa de deslizamiento en un número

finito de rebanadas sobre cada una de las cuales actúan fuerzas solicitantes y resistentes, las que deben encontrarse en equilibrio, tanto para cada rebanada, como para el sistema completo. Algunos métodos consideran sólo equilibrio de fuerzas mientras otros incluyen equilibrio de momentos. Las principales hipótesis de los métodos de equilibrio límite son (Parga, 2012):

- El suelo sigue una ley de falla al corte del tipo Mohr-Coulomb t.

- La resistencia se moviliza total y simultáneamente a lo largo de la superficie de deslizamiento.

- El factor de seguridad de la componente cohesiva y friccional del material es igual para todos los suelos involucrados en la superficie de deslizamiento, y es el mismo para todas las dovelas.

- Se debe verificar tanto el equilibrio de cada dovela como el de toda la masa de suelo potencialmente deslizable.

Una de las dificultades de los MEL es que el sistema de ecaciones que resulta se encuentra indeterminado, razón por la cual es necesario introducir hipótesis sobre la dirección, magnitud y/o punto de aplicación de algunas de las fuerzas actuantes.

Algunos de los métodos más conocidos dentro de los MEL son: Bishop Simplificado (Bishop, 1955), Janbu Simplificado (Janub, 1968), Janbu Generalizado (Janub, 1973) y

Morgenstern-Price (Morgenstern and Price, 1967), entre otros.

Se evaluó la estabilidad estática y Pseudo estática mediante el programa Slope® de Geostudios, el cual permite el calcular el factor de seguridad de suelos y rocas mediante métodos de equilibrio límite, teniendo en cuenta la heterogeneidad de los suelos, la estratigrafía de la superficie de deslizamiento y las condiciones de la presión de agua intersticial. El análisis de estabilidad de taludes Slope lo puede realizar con parámetros de entrada determinísticos o probabilísticos, adicionalmente el software utiliza elementos finitos para el cálculo de esfuerzos con la combinación de los métodos de equilibrio Limite. (Rivero Galvis Naty Vanesa, 2015).

 Análisis sísmico (pseudoestatico) El método más simple para incluir los efectos de un sismo es considerarlo como una serie de fuerzas estáticas horizontales equivalentes en el análisis. La magnitud de la fuerza horizontal se asume igual al peso de la masa potencial de falla multiplicada por un coeficiente adimensional k h que busca representar los efectos del sismo, transformando el problema en uno de tipo pseudoestático.

Aun cuando en la realidad el sismo induce fuerzas tanto horizontales como verticales,

9 varios autores recomiendan despreciar esta ´ultima componente en el análisis (Barrera and Campaña, 2005).

Análisis Dinámico

El análisis dinámico de presas de relave se ha abordado tradicionalmente utilizando dos enfoques: el método lineal-equivalente por medio de programas como QUAD4 (Idriss

et al., 1973) y el método no-lineal directo por medio de programas como FLAC (Cundal and Board, 1988). A continuación se presenta un resumen de las principales características

de ambos programas.

b. Métodos de Equilibrio Limite Estos métodos se suelen utilizar en casi todas las presas de menores dimensiones, en especial para aquellas cuyas alturas de muro no superan los 40 m. Estos métodos resultan ser suficientes y no se requiere de análisis dinámicos adicionales para asegurar la estabilidad de la presa. Para la aplicación de estos métodos se

requiere de la siguiente información básica:

- Antecedentes del depósito: historia de la mina, población ubicada aguas abajo, cuenca aportante y manejo de las crecidas, capacidad final, altura máxima.

- Caracterizacion geotecnica de los materiales de construcción y fundación, en particular la degradación de las propiedades debido a cargas cíclicas.

- Identificacion de solicitaciones: riesgos geológicos, riesgo sísmico, etapas de crecimiento, nivel freático en la presa durante la operación y abandono, y fluctuaciones probabas.

Análisis dinámico

Actualmente resulta habitual que para presas de grandes dimensiones se considere la realización de un análisis dinamice a modo de verificación de los resultados obtenidos por los MEL antes mencionados. Para la aplicación de un análisis dinámico se requiere de la siguiente información:

- Propiedades geotécnicas dinámicas y estáticas del material de construcción y fundación (incluida la resistencia cíclica de los materiales).

- Acelerogramas de sismos representativos del sector

Adicionalmente se debe seleccionar un modelo que logre representar de la mejor manera posible el comportamiento del material en estudio, entre estos se cuentan: Modelo Hiperbolico (Iwan, 1967) (Masing, 1967) y el Modelo Cam-Clay (Schofield and Wroth,1968), entre otros

Tabla 3. Características de Métodos Comúnmente Empleados para la Estabilidad de Taludes (según TRB, 1996). (Rennat, 1997).

10 Tabla 4: Factores Mínimos de Seguridad para el Talud Aguas abajo (modificado de COE, 1970)

B. ANÁLISIS SÍSMICO

Los análisis de estabilidad sísmica son efectuados con el fin de evaluar la estabilidad general de las presas de relaves y sus cimientos durante condiciones de carga de terremotos. En general, estos análisis se dividen en dos tipos distintos: el potencial de licuefacción y el potencial de deformación.

i. Sismicidad

El Perú está ubicado en una de las áreas más sísmicamente activas del mundo, por este motivo los terremotos han tenido un fuerte impacto en la minería en los últimos cuatro siglos.

En las guías internacionales de seguridad para presas de relaves se recomienda un estándar de diseño basado en el Terremoto Máximo Creíble, o TMC, para “las principales presas de relaves donde una falla podría ocasionar la pérdida de vidas y de graves daños a la propiedad”. ii. Selección de Aceleración

Sísmica

La aceleración pico de terreno estimada para cualquier sitio puede ser calculada empleando la siguiente metodología: 1. Ubicar el sitio del proyecto en un mapa geológico, que también muestre todas las fallas activas ubicadas dentro de los 100 km del sitio.

2. Determinar el Terremoto Máximo Creíble (TMC) (basado en la información sismológica publicada) para todas las fallas activas identificadas en el paso (1). Elaborar una tabla mostrando el nombre de la falla activa, el TMC estimado, y la distancia más corta de la fuente al sitio en términos de la distancia más cercana a la superficie de ruptura potencial de todas las fallas activas. La magnitud que es empleada en estos estudios es la magnitud de momenton M, como fue definida por Hanks y Kanamori (1979). También determinar si el sitio puede ser considerado como un sitio de rocas (lecho de roca alterada por el intemperismo, ubicado a 3 m de la superficie de terreno) o como un sitio de suelo.

3. Determinar la aceleración pico de terreno para cada falla empleando información publicada de atenuación de terremotos para cada tipo de falla específica (SSA, 1997). Las relaciones de atenuación publicadas dependen directamente de las siguientes variables: tipo de falla, TMC, condiciones geológicas del sitio, y distancias más cortas de la fuente al sitio para la falla.

11 4. La Aceleración Pico de Terreno que es empleada para propósitos de diseño requiere el uso de criterio de ingeniería. Es posible que los eventos locales cercanos con magnitudes menores de TMC puedan producir valores más altos de Aceleración Pico de Terreno que las fallas de distancias mayores.

iii. Evaluación de Licuefacción Los materiales sueltos, saturados con partículas del tamaño de arena están sujetos a una pérdida repentina de resistencia al corte, o licuefacción, cuando están expuestos a un evento sísmico. Los relaves, debido a su método de colocación generalmente suelta y a su naturaleza no cohesiva, frecuentemente son propensos a la licuefacción. Para cualquier material que tiene propensión, el peligro de licuefacción está controlado por:

 La densidad del material

 La presión de confinamiento que actúa en el material

 La magnitud del esfuerzo o deformación cíclicos.

 El número de ciclos de esfuerzo a los cuales está sujeto el material

Por lo tanto, para las presas de relaves construidas empleando el método de construcción de línea central y aguas abajo, el área de principal interés constituye la licuefacción potencial de suelos de cimentación de presas. Para las presas existentes construidas empleando el método de construcción aguas arriba, la licuefacción del material de relaves dentro de la poza, debido a su estado saturado y a las densidades in situ relativamente bajas, está prácticamente asegurada en estos niveles altos esperados de Aceleración Pico de Terreno.

a. Prueba Estándar de Penetración (PEP)

Tabla 5: Procedimientos Recomendados de PEP (según Seed et. al., 1985)

b. Prueba de Penetrómetro Cónico (PPC)

C. REBOCE POR LA CRESTA

El reboce por la cresta es una de las causas principales de fallas en las presas de relaves. Se debe prevenir a toda costa el reboce de las presas de relaves ya que podría ocasionar una falla catastrófica con la liberación repentina de grandes cantidades de relaves y agua tóxicos. Para minimizar la posibilidad de un reboce, se debería tomar las siguientes precauciones durante la operación de una presa de relaves:

 Se debería almacenar un mínimo de agua libre en las pozas de relaves  Se debería mantener una playa lo más ancha posible aguas arriba de la presa de relaves.

 Se debería derivar fuera del depósito la máxima cantidad posible de escorrentía que contribuya a la poza de relaves.

 Para operaciones con “circuito cerrado”, la poza debería tener suficiente borde libre de líquido para que la avenida máxima probable (AMP) pueda ser almacenada (o la captación máxima si no está diseñada para la precipitación máxima

12 probable) como una sobrecarga sobre la parte superior del nivel de operación normal de la poza sin causar avenida en la playa de relaves y colocar agua libre contra la presa de arena de relaves.

 En los lugares donde está permitido la descarga de efluente de relaves durante periodos de alta escorrentía, se debe proporcionar un vertedero adecuado para manejar los flujos de diseño.

D. EROSION

a. Erosión por el agua

- Erosión interna por el agua: se puede presentar problemas debido a la erosión interna del material proveniente de la presa de relaves ocasionada por la percolación de lixiviado.

- Erosión externa por el agua: La erosión externa se puede presentar debido a la acción del viento o el agua y si no es controlada puede afectar desfavorablemente la estabilidad de presas de relaves ya sea directamente, por la modificación de la geometría de la presa, o indirectamente como resultado del material erosionado bloqueando los drenajes.

b. Erosión por el viento: La erosión por el viento puede ser un problema significativo donde existan grandes áreas expuestas de material de grano fino como en la cara río abajo de una presa de relaves o en áreas de playa del depósito.

Normas para análisis de estabilidad de presas de relaves emitidas por el gobierno Peruano (Hurtado, 2010).

Mejoras de remediación para mejorar la seguridad:

 Reemplazo por presa nueva  Mejora de la presa existente

 Predicción del comportamiento sísmico

 Naturaleza del defecto de la presa

o Zonas sueltas y licuables o Nivel freático Alto

o Taludes empinados o Ancho de playa

 Tamaño relativo de la presa actual y final

o Mejora en la operación del relave

o Mejora en el talud aguas abajo

o Densificación de la zona suelta

 Protección de arenas aguas abajo (ICOLD, 1995).

“Nuevo Reglamento para la Aprobación de Proyectos de Diseño, Construcción, Operación y Cierre de Depósitos de Relaves”. (Abarzua, 2008)

1. Análisis de Estabilidad Sísmica. 2. Análisis de Licuefacción sísmica.

3. Determinación de Presiones de Poros y de Desplazamientos.

4. Análisis Dinámicos Basados en Propiedades Dinámicas de las Arenas. 5. Revancha y Ancho de Coronamiento. 6. Estabilidad e Impermeabilización del Muro de Partida.

13 7. Sistemas de Drenaje y Recolección de Aguas (“El muro de contención o prima resistente, debe contar con un sistema de drenaje en su base”)

8. Creación de Planos de Fallas en el muro por precipitaciones, por erosión eólica u otros.

9. Efecto Envejecimiento en las Propiedades de los Depósitos (solicitado en la fase IV “Análisis para Condiciones de Cierre” 10. Determinación de Sistemas de Instrumentación y Monitoreo. 11. Determinación de Distancia Peligrosa RIESGOS O PROBLEMAS GEOTÉCNICOS ASOCIADOS A TRANQUES DE RELAVES

- Licuación del prisma resistente: se presenta en suelos de tipos granular fino con baja densidad relativa y en estado saturado, anulando la capacidad de resistencia a esfuerzos de corte como consecuencia del aumento de la presión intersticial originado por las vibraciones. (Jose, 2011).

- Inestabilidad de taludes (bajo condiciones estáticas y sísmicas).

- Deformaciones excesivas.

- Rebalse, overtoping y vaciamiento. - Inestabilidad del suelo de Fundación.

- Planos de falla por precipitaciones o erosión eólica.

- Pérdida de borde libre debido a asentamientos.

Figura 12: Pérdida de resguardo debiso al asentamiento del terraplén o de fundación.

- Rotura de la presa: Un movimiento sísmico puede provocar desplazamiento tanto en sentido vertical, como en sentido horizontal de alguna falla existente.

Figura 13: Desplazamiento de fallas, vertical y horizontal (elevación y planta).

- Piping o tubificación.

Figura 14: Tubificación (erosión interna) originada por asentamientos diferenciales.

14 FACTORES GEOTECNICOS CLAVES PARA REDUCIR EL RIESGO DE INESTABILIDAD DURANTE LA OPERACIÓN (E. Alonso, J. Corominas y M. Hürlimann, 2013).

- Pendiente de taludes adecuada, principalmente en dirección “aguas abajo”. - Granulometría y Nivel de Compactación adecuado.

- Contar con Parámetros resistentes adecuados.

- Bajas presiones intersticiales al interior del prisma resistente.

- Altura de revancha y ancho de coronamiento suficientes.

- Eficiente Sistema de Drenaje

EFECTOS AMBIENTALES DE FALLAS DE TALUDES

Los Efectos ambientales de una falla de talud constan tanto de efectos directos como indirectos. Los efectos directos comprenden la pérdida inmediata de vida humana, y la destrucción de toda estructura, ya sea vida animal o vegetal por el paso de los relaves y/o desechos liberados. Los efectos indirectos incluyen daños aparentemente menores al medio ambiente. La falla de un depósito de desecho adyacente a una corriente o río puede represar la corriente de agua, causando avenida aguas arriba. La eventual ruptura de la presa temporal de desecho puede ocasionar una avenida significativa y erosión aguas abajo.

RECUPERACION DE DEPÓSITOS DE DESECHOS

Es más probable que se requiera la recuperación en las presas de relaves que no han sido diseñadas de acuerdo con principios de diseño y práctica apropiados. En particular, frecuentemente se pueden desarrollar problemas con presas de relaves construidas durante un largo periodo de tiempo y que, como resultado de cambios en el método de trabajo del proceso del cual se deriva los relaves, se les puede incrementar la altura o alterarlas en sección cruzada o por otro lado efectuar cambios al propósito que se tenía originalmente.

 Reboce por la cresta – Recuperación: Además de reparar la presa, es esencial determinar la causa del

15 reboce por la cresta y realizar trabajos para prevenir cualquier recurrencia posible. Dichos trabajos podrían incluir una o más de las siguientes medidas:

- Modificar el método de operar el depósito de modo que haya disponible borde libre adicional de líquido con el fin de soportar los incrementos excepcionales en el nivel del depósito - Aumentar el nivel de cresta para lograr

el mismo efecto.

- Aumentar la cresta para subsidencia futura.

- Proporcionar mayor capacidad del sistema de decantación o vertedero  Inestabilidad de Taludes – Recuperación: la recuperación para la estabilización de taludes incluiría normalmente uno o más de las siguientes técnicas:

- Modificación del perfil de la presa. - Instalación de los trabajos de drenaje

para disminuir el nivel de la superficie freática tal como drenajes de zanjas profundas sobre el talud aguas abajo, drenajes perforados horizontalmente, drenaje adicional en la base, etc., todos protegidos con filtros adecuadamente diseñados para prevenir la pérdida de relleno.

- Instalación de refuerzo del suelo - Construcción de estructuras de

retención, tales como el refuerzo de la base con relleno de roca.

 Erosión Interna – Recuperación  Erosión externa – Recuperación  Daños por Terremotos – Recuperación.

 Daños a los sistemas de decantación-Recuperación

 Contaminación de agua subterránea-Recuperación.

METODOS DE ESTABILIZACION (Rennat, 1997):

1. Enrocado: se deriva de su uso convencional para propósitos de ingeniería como protección de canales y protección de taludes para prevenir la erosión por el agua

2. Estabilización Química: Los agentes para estabilización química utilizados para el control temporal de erosión de relaves incluyen polímeros elastoméricos, lignosulfato de calcio (un desecho producido por fábricas de papel), emulsiones de asfalto, silicatos de sodio y adhesivos resinosos.

3. Estabilizacion Vegetativa: Es la más común y generalmente la opción de estabilización preferida para depósitos de relaves. Si se puede establecer una cubierta vegetativa que se perpetúe por sí sola, no sólo se puede minimizar la erosión por agua y viento, sino también se puede hacer que el depósito vuelva a tener cierta semejanza con su apariencia original y al uso de tierra.

16 RESPUESTAS INNOVADORAS ASOCIADAS A LA CONSTRUCCION Y CIERRE DE TRANQUES DE RELAVES. INVESTIGACIONES ACTUALES

 Efecto envejecimiento sobre los parámetros geotécnicos de los depósitos mineros.

 Desarrollo de Nuevas Metodologías de Control de Operación.

 Generación de nuevos Métodos de estimación de la estabilidad de taludes en depósitos de residuos en operación.

 Aplicación de estabilizadores químicos para mejorar las condiciones estructurales y ambientales de un tranque de relaves

 Desarrollo de herramientas biogeotecnológicas para potencia la fitoestabilización de tranques de relave  Aplicación de substancias poliméricas extracelulares corporar cohesión a las arenas.

1. Nuevas tecnologías asociadas a condiciones estructurales Y al efecto envejecimiento

Al evolucionar positivamente los valores de los parámetros resistentes de las arenas de relaves del tranque, con respecto a los valores asumidos en las hipótesis iniciales de

Efectos

Aumento de la resistencia cíclica. Aumento de c y φ.

Aumento de índices de penetración diseño, es posible aumentar su vida útil.

Causas

Consolidación por carga o secamiento. Cambios de fábrica por historia sísmica. Variación de la línea de flujo.

Creación de vínculos físico químicos.

Ensayo de penetración CPT dinámico

Figura 15: Planta M.A.Matta R.ENAMI. Copiado.

Ensayo PANDA (Pénétromètre Automatique Numérique Dynamique Assisté)

Aplicaciones: potencial de licuación, estimación de parámetros resistentes y de estabilidad de taludes

2. Nuevas tecnologías en el control de calidad durante la operación

Control de calidad con ensayo CPT • Permite estimación de compacidad en profundidad.

• Permite estimación de parámetros resistentes.

• Es posible la instalación de piezómetros. • Existen una serie de experiencias en tranques de relaves

Ensayos de penetración portátil

• Permiten obtener estados de compacidad en profundidad.

• Sus resultados dependen de menos factores externos.

• Permiten la estimación de parámetros resistentes.

• Menor tiempo de ejecución y menores costos.

17 FORMAS DE MEZCLAR DESMONTE Y RELAVE

Se puede pensar en muchas maneras de mezclar des-monte y relave en grandes volúmenes. No obstante debe buscarse los métodos que permitan bajo costo y mezclas homogéneas. Al unificar el almacenamiento del relave y el desmonte en una sola área ya se está reduciendo el costo de la relavera y del dique de contención.

Inyectar el relave como una pasta densa en el desmonte acumulado en el botadero mediante tubos de inyección dispuestos sobre el frente de avance del botadero. Se instalan los tubos y luego se entierran con desmonte arrojado por los camiones.

Colocar el relave en pequeños montones en la superficie plana de botadero para luego enterrarlos por nuevas capas de desmonte. El relave debe previamente espesarse a 75% sólidos.

Mezclar desmonte y relave en la proporción 3/1 aproximadamente. La mezcla homogénea puede efectuarse en un camión de acarreo o en una faja transportadora o en la cresta del botadero de desmonte

4. CONCLUSIONES

 Para la realización de una presa de relaves se realizan estudios de la ubicación, selección del tipo de presa, se procede al diseño de la estructura de acuerdo a las áreas zonificadas por los estudios sismicos

 Para evitar los factores que afectan la estabilidad de la presa de relaves, se tienen que tener en cuenta que el diseño de los taludes es distinto a cada caso debido a que sus parámetros varían entre sí.

 El proyecto de una presa de relaves considera: estabilidad contra el

desbordamiento, estabilidad contra el flujo incontrolado, estabilidad contra la erosión interna y estabilidad contra la licuefacción.  Los análisis de estabilidad de taludes en presas de relaves se realizan en condiciones Pseudoestaicas y estáticas para cada sección analizada.

 Las consideraciones en una presa de relaves se tiene que tener en cuenta la geología local, geología estructural, geomorfología, investigaciones geotécnicas, pruebas de campo, pruebas de laboratorio y estudio de condiciones sísmicas e hidrogeológicas.

5. RECOMENDACIONES Se debe utilizar el presente artículo de investigación como base para nuevos estudios, en la estabilidad de taludes en presas de relaves.

Aplicar los nuevos métodos de estimación de la estabilidad de taludes en depósitos de residuos en operación para evitar fallos catastróficos.

6. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

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