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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)

IDIA

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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){

IDIA

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1) Deslizamiento de taludes

IDIA

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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

IDIA

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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

IDIA

U

NSJ

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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NSJ

Imagen de microscopio electrónico de colas de la industria del níquel de Cuba (Rodriguez , 2002)

0.02 mm

IDIA

U

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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)

IDIA

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NSJ

Influencia del agua en el comportamiento mecánico

Curva de retención de colas de la Industria Cubana del Níquel(Rodriguez, 2002)

P0

IDIA

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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

IDIA

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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)

IDIA

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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)

IDIA

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PERMEABILIDAD DE MATERIAL DE COLAS CON DISCONTINUIDADES Material: Colas de la Industria Cubana del Níquel (Rodriguez, 2002)

IDIA

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(Rodriguez, ASTM GTJ 2005)

ENSAYO DE COLUMNAID

IA

UN

SJ

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)

IDIA

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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?).

IDIA

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NSJ

2) Aspectos sísmicos

IDIA

U

NSJ

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

IA

UN

SJ

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

IDIA

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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

IA

UN

SJ

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

U

NSJ

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

IA

UN

SJ

4) Fallas por sobrepaso, tubificación y erosión

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FALLA POR SOBREPASO. Presa de Merriespruit, Sudáfrica, 1994

FOTOS http://www.tailings.info

IDIA

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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

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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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NSJ

REFERENCIASAlonso E.E. y A. Gens (2006). Aznalcóllar dam failure. Part 1: Field observations and material properties.

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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.

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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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