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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CORDOBAAREA DE GEOTECNIA DE LA FACULTAD DE CIENCIAS
EXACTAS, FISICAS Y NATURALES
CICLO DE CONFERENCIAS“ADOLFO NIEHBUR”
Estabilidad y Seguridad de Depósitos de Residuos Mineros
Luciano A. OldecopInstituto de InvestigacionesAntisísmicas “Ing. Aldo Bruschi”
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN JUANIDIA
U
NSJ
Presa de Ullúm (San Juan)ID
IA
UN
SJ
Cordillera de los Andes (San Juan)ID
IA
UN
SJ
29°LatSur
72° Long. Oeste
100 Km
1977(7.4)Terremoto histórico:Año(Magnitud)
Falla activa
Presa7
REFERENCIASJachal
San Juan
Mendoza
San Rafael
1 2
5
6
7
8 9 10
1213
1
543
2
Presa Tipo
Cuesta del VientoLos Cauquenes
UllúmPunta NegraLos Caracoles
MSZH
MSZMSPMSP
MSZ: Materiales sueltos zonificada
H: Presa de HormigónMSP: Mat. sueltos con pantalla de H°
Oasis bajo riego
66.5°35.5°
1782(7)
1861(7)
1894(8)
1929(6.8)
1944(7.4)
1952(7)1977(7.4)
1985(5.9)
4 3
6
789
10
12
El Carrizal
Potrerillos
Agua del ToroLos ReyunosEl Tigre
Valle Grande
MSZ
MSP
HMSZMSZ
H11 Los Nihuiles H
Presa Tipo
REGIÓN DE CUYOPascua-Lama
(oro)
Veladero(oro)
El Pachón(Cobre)
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CONTENIDO1) Introducción.
2) Identificación de los mecanismos de falla
3) Mecanismos de falla, fenomenología y casos históricos:- Fallas por deslizamiento- Fallas ocasionadas por terremotos- Fallas de la fundación- Fallas por sobrepaso, tubificación y erosión- Fallas de estructuras auxiliares.
4) Resumen/conclusiones
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INTRODUCCIÓNBoletín 102 ICOLD (2001)
• El volumen de residuos mineros (colas y escombreras) es significativamente mayor a los industriales y domésticos y excede largamente el volumen de materiales manipulados por la ingeniería civil en todo el mundo.• El boletín reúne 221 casos de incidentes en presas de colas e intenta extraer las enseñanzas de los errores cometidos.
Las falla de un depósito de residuos tiene elevados impactos sociales, ambientales y económicos.
Desde el punto de vista de la ingeniería civil, las presas de colas son estructuras singulares:
1) Se construyen progresivamente (a lo largo de 20 – 30 años). 2) Ocurren cambios en el régimen de operación de la presa.3) Pueden haber ajustes o cambios en el proyecto.4) Las consecuencias de una rotura se agravan con el tiempo.5) Tiempo de vida = ∞(!)6) Construcción y operación superpuestas > mayor probabilidad de accidentes.7) Los eventuales efluentes son contaminantesIDIA
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SOBR
EPAS
O
DESL
IZAM
IENT
OTE
RREM
OTO
FUND
ACIÓ
NES
TRUC
TURA
S AU
XER
OSIÓ
NDE
SCON
OCID
A
PRESAS DE COLAS(Datos de USCOLD/UNEP/ICOLD, 2001)
0
25
50
TUBI
FICA
CIÓN
SUBS
IDEN
CIA
N°
Presas inactivas
Presas activasINCIDENTES (211){
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1) Deslizamiento de taludes
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Deslizamientos provocados por ascenso del nivel freático
> permeabilidad
PLAYAPUNTO DE VERTIDO
LAGUNA
COLAS
PRESASUPERFICIE DE DESLIZAMIENTO
SUPERFICIE FREATICA
) El flujo se acerca al talud}⇒- Aumento del nivel de embalse (crecida o lluvia)
- Acercamiento de la laguna a la presa (operación)
- Aumento del grado de saturación por lluvia.
- Ritmo de recrecimiento excesivo
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Presa de Stava (Chandler y Tosatti,1995)
0 20 40 60 80 100 m
1340
1360
1380 m.s.n.m Depósito superior
Depósito inferiorA
B
CD
Dique incial
Superficie original del
terreno Superficie de deslizamiento
asumida
34°
39°
Hipótesisfreática
Factor deseguridad
A 1.35B 1.21C 1.04D 0.76
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Clasificación espontánea por tamaño en el vertido en playaMediciones sobre muestras de colas de minas de diamante (Blight, 1994)
VertidoPlayaBorde de la laguna
Sup. freática A (k homogéneo)
Sup. freática deprimida (???)
Base impermeable
Aumenta permeabilidad
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0 100 200 300
D5050máx(D )
0 10 20 30 40 50
20
40
60
0Perm
eabi
lidad
[cm
/s x
10
]
k = a exp(-b.x)
-6
Distancia desde el punto de vertido [m]
Distancia desde el punto de vertido [m]
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Imagen de microscopio electrónico de colas de la industria del níquel de Cuba (Rodriguez , 2002)
0.02 mm
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Rango de tamaño de partículas de las colas de diferentes procesos mineros
D10 = 0.05 mmD10 = 0.0005 mm
% q
ue p
asa
Tamaño (mm)
(Blight, 1994)
Fla. Terzaghi-Peck: hc = 2 Ts /γw e D10 (e=2) ⇒ hc = entre 30 cm y 30 metros!
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Comportamiento mecánico de las colas no saturadas
Agua líquida, Pl
3ss 21s
Partícula de suelo
s ss
3s > s > s
3 2 12
1
succión matricial, s = Pg - Pl
Aire, Pg
F
W
D
0.1
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0.01 0.1 1 10 100succión (MPa)
Fuer
za c
apila
r / P
eso
Arena media (D = 0.5 mm)
Grava (D = 10 mm)
Colas (D = 0.01 ÷ 0.2 mm)
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Influencia del agua en el comportamiento mecánico
Curva de retención de colas de la Industria Cubana del Níquel(Rodriguez, 2002)
P0
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INFLUENCIA DEL GRADO DE SATURACIÓN EN LA RESISTENCIAMaterial: Colas de la Industria Cubana del Níquel (Rodriguez, 2002)
COMPRESIÓN SIMPLETRACCIÓN DIRECTA Y ENSAYO BRASILEÑO
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Depósito de colas en un open pit abandonado (Cartagena – España)ID
IA
UN
SJ
Punto de vertido de colas en un depósito de la Industria Cubana del Níquel
(FOTO : Rodriguez, 2002)
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Depósitos inactivos: colas de la extracción de galena, blenda y pirita(Cartagena – España)
IDIA
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ENSAYO DE PERMEABILIDAD EN EQUIPO TRIAXIAL DE MATERIAL DE COLAS CON DISCONTINUIDADES (Rodriguez, 2002)
Probeta (φ = 100 mm)
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PERMEABILIDAD DE MATERIAL DE COLAS CON DISCONTINUIDADES Material: Colas de la Industria Cubana del Níquel (Rodriguez, 2002)
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(Rodriguez, ASTM GTJ 2005)
ENSAYO DE COLUMNAID
IA
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Nivel freático
S = 0.3Grado de saturación 1.0P0 = 100 ÷200 kPa P0/10
EFECTOS DE LA PRESENCIA DEL AGUA CAPILAR EN LA ESTABILIDADModelo de flujo no saturado + consolidación (MEF)
(Zandarín, 2006)
Base impermeable
Laguna VertidoAluvial
NF
200 mm 200 mm
100 mm 100 mm
50 mm 50 mmRespuesta ante una lluvia
(2mm/hora)
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Influencia del agua en la seguridad
S = 1
S ≈ 1
S = 1S = 1
Agua almacenada en la zona no-saturada:
- Disminuye el margen de seguridad ante aportes de agua extraordinarios.
- No se detecta mediante piezómetros
- Imposible de drenar por gravedad (Vacío?).
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2) Aspectos sísmicos
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Licuación: materiales “granulares” en condiciones no-drenadas
γ
eτ
τ0
τ
τ0
τ
τ0
p'
γ
γ
LEC
"Contractivo"
"Dilatante"
Comportamiento "dilatante"
Comportamiento "contractivo"
Su
Su
SuSu = resistencia residual (estado crítico) = f (e,...p'?)
Estado crítico
τ < Su
CONTRACTIVO
DILATANTE 0
τ < Su0
τ > Su0
{⇒ MOVILIDAD CÍCLICA - Deformaciones - Agrietamiento
⇒ LICUACIÓN⇒
Falla de flujo
τ = 00 ⇒ Volcanes de arena
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MOVILIDAD CÍCLICA (τ0 < Su). Ribera de un río. Terremoto de Guatemala, 1976ID
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Presa de colas Tapo Canyon (26 m). Fallada en el Terremoto de Northridge, 1994ID
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LICUACIÓN (τ0 > Su). Presa de colas (Tapo Canyon, 26 m). Terremoto de Northridge, 1994
Falla de flujo 10 min después de terminado el movimiento sísmico
FOTO: Northridge Collection, Earthquake Engineering Research Center, University of California, BerkeleyIDIA
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LICUACIÓN EN PILAS DE LIXIVIACIÓN. CUAJONETerremoto de Arequipa (Perú), 23/06/2001, M = 8.3
FOTO: Rodrquez-Marek et al. 2001 PEER 100 Km
Epicentro∗Mollendo
Arequipa
Moquegua(PGA = 0.3g)
Cuajone
VIII
VII
VIV
Intensidad MM Ilo
Estructura granular inestable ⇒ “colapso” ⇒ licuación
σ
El grado de saturación debe ser lo suficientemente bajo (S < 85%?) como para impedir la licuación
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3) Problemas de fundación
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Presa de Aznalcollar, 1998
FOTO: Alonso y Gens, 2006IDIA
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0
20
40
60
m
Arcillas azules (espesor = 70 m)
Colas Aluvial (espesor = 4 m) Río
250
200
150
100
50
00 5 10 15 20 30
Desplazamiento relativo [mm]
Tens
ión
de c
orte
[kPa
]
τ = 231 kPa (c = 65 kPa, φ = 24º)
τ = 175 kPa (c = 1.6 kPa, φ = 23.6º)
τ = 126 kPa (c = 0.2 kPa, φ = 17º)
τ = 76 kPa (c = 0, φ = 11º)
σ = 400 kPa
ENSAYO DE CORTE DIRECTO DE LAS ARCILLAS AZULES
Presa de Aznalcollar, 1998 (Alonso y Gens, Geotechnique, 2006)ID
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FALLA PROGRESIVAModelo de la presa de Aznalcollar (Material Point Method, MPM)
(Zabala, 2005, comunicación personal)
-23.000 partículas con una malla fija rectangular de tamaño 1mx1m
- Ecuación constitutiva: elastoplástica Mohr-Coulomb no asociada con ablandamiento por deformación (φp = 24º, φr = 11º)
IDIA
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20
40
60
80
100 Línea piezométrica en el plano de deslizamiento
Proyecto originalSección construida
1 2 3 4 5 6
3 4 5 6
Material "prefallado"Superficie de deslizamiento
detectada con sondeos
Línea piezométrica asumida en el proyecto
Presa de Aznalcollar, 1998 (Alonso y Gens, Geotechnique, 2006)ID
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4) Fallas por sobrepaso, tubificación y erosión
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FALLA POR SOBREPASO. Presa de Merriespruit, Sudáfrica, 1994
FOTOS http://www.tailings.info
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Mecanismo de falla por sobrepaso
γ
τ
12
3
3
2
1
0
2
1
4τ
3
γ
4
0
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Mecanismo de falla por tubificación (erosión interna)
2
0
1
τ 4
3
1
1
γ
0
3τ
2
4
γ
32
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5) Falla de estructuras auxiliares
IDIA
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Presa de Stava, Italia, 1985
(http://www.stava1985.it/)IDIA
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Presa de Stava, Italia, 1985
(http://www.stava1985.it/)
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Presa de Stava, Italia, 1985 (Chandler y Tosatti,1995)
Depósito superiorRebalse
Depósito inferior
DescargaTramo de conducto obturado
Conducto de decantación
Superficie del terreno natural
Peso de las colas depositadas después de la reparación
Chimenea de hormigón
Estado de construcción al instalar el bypass
Tubo de acero
a)
b)
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COMENTARIOS FINALES1) Se han identificado algunos de los mecanismos de falla más frecuentes.
Puede haber otros. Pueden presentarse combinados. 2) El funcionamiento hidráulico del depósito es fundamental para su
estabilidad3) Los mecanismos involucran una gran variedad de fenómenos y problemas
que requieren de atención y la intervención de distintas especialidades de la ingeniería civil:
– Deslizamiento de taludes: materiales / proyecto geotécnico / calidad de la construcción / operación.
– Terremotos: amenaza sísmica / respuesta dinámica / licuación– Sobrepaso: hidrología / proyecto hidráulico / operación– Problemas de fundación: geología / exploración geotécnica / proyecto
geotécnico– Tubificación: materiales / construcción / operación– Falla de estructuras auxiliares: proyecto de ingeniería / calidad de la
construcción– Erosión: hidrología / materiales– Subsidencia: geología / exploración geotécnica4) Casi todas las fallas ocurridas se pueden explicar ⇒ disponemos de los
conocimientos y la tecnología para evitarlas.IDIA
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REFERENCIASAlonso E.E. y A. Gens (2006). Aznalcóllar dam failure. Part 1: Field observations and material properties.
Géotechnique 56, No. 3, 165–183.Alonso E.E. y A. Gens (2006b). Aznalcóllar dam failure. Part 2: Stability conditions and failure mechanism.
Géotechnique 56, No. 3, 185–201.Bligth, G. E. (1994). The master profile for hydraulic fill tailing beaches. Proc. Instn. Civ. Engng, 107, 27-40.Bligth, G. E. (1997). Destructive mudflows as a consequence of tailing dyke failures. Proc. Instn. Civ. Engng,
125, 9-18.Chandler, R. J. y G. Tosatti (1995). The Stava dams failure, Italy, July, 1985. Proc. Instn. Civ. Engng, 113, 67-
79. Fourie, A. B. y G. Papageorgiou. (2001). Defining an appropriate steady state line for Merriespruit gold tailings.
Can. Geotech. J, 38, 695–706Fourie, A.B., G.E. Blight y G. Papageorgiou (2001). Static liquefaction as a possible explanation for the
Merriespruit tailings dam failure. Can. Geotech. J, 38, 707–719.Gili, J. (1988). Modelo microestructural para medios granulares no saturados. Tesis Doctoral. Barcelona:
UPC.Harder, L.F. y Stewart, J.P. (1996). Failure of Tapo Canyon Tailings Dam. J. of Performance of Constructed
Facilities, ASCE, 10, 3, 109-114.ICOLD (1974). Lessons from Dam Incidents. Paris. 1063 pps.ICOLD (1995) Bulletin 99: Dam Failures - Statistical Analysis, Paris.ICOLD (2001). Bulletin 121: Tailing dams. Risk of dangerous occurrences. Lessons learnt from practical
experiences. Paris.Moya, J. (2001). Determinación de la geometría de la superficie de rotura en deslizamientos instantáneos: el
caso de la balsa minera de Aznalcollar. V Simposio Nacional sobre Taludes y Laderas Inestables. Madrid, 27-30 Noviembre de 2001, vol. III, 1341-1352.
Rodríguez, R. (2002). Estudio experimental de flujo y transporte de cromo, níquel y manganeso en residuos de la zona minera de Moa (Cuba): influencia del comportamiento hidromecánico. Tesis Doctoral, UniversitatPolitècnica de Catalunya, Barcelona.
Szymanski, M. B. (1999) Tailings dams from the perspective of conventional dam engineering. Canadian Dam Association Conference, Sudbury.
Youd, T. L. (1972). Compaction of sands by repeated shear straining. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE, 98, SM7, 709-725.ID
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