UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL SECCIÓN DE POSTGRADO
03 y 04 de Febrero del 2006
INTRODUCCIÓN AL DISEÑO DE PRESAS DE RELAVE Dr. Ing. Jorge E. Alva Hurtado UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN DE TACNA
CONTENIDO
•
INTRODUCCIÓN
•
ESTUDIOS BÁSICOS : GEOFÍSICA, GEOTÉCNIA Y RIESGO SÍSMICO
•
SISTEMA DE DRENAJE EN DEPÓSITOS DE RELAVE
•
DISEÑO SÍSMICO DE PRESAS DE RELAVE
•
FALLAS OCASIONADAS POR SISMOS
•
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
ESTABILIDAD FÍSICA DE RESIDUOS
• INTRODUCCIÓN • ESTUDIOS E INVESTIGACIONES BÁSICAS • DEPÓSITOS DE RELAVES • BOTADEROS DE DESMONTE • PILAS DE LIXIVIACIÓN
ESTUDIOS E INVESTIGACIONES BÁSICAS
• TOPOGRAFÍA • MEDIO AMBIENTE • GEOLOGÍA/HIDROGEOLOGÍA • HIDROLOGÍA • GEOFÍSICA • RIESGO SÍSMICO • EXPLORACIÓN GEOTÉCNICA
INTRODUCCIÓN
• PREOCUPACIONES AMBIENTALES • ORIGEN Y CARACTERÍSTICAS DE LOS RESIDUOS • CONFIGURACIÓN DE LOS DEPÓSITOS • CRITERIOS DE UBICACIÓN Y DISEÑO
PREOCUPACIONES AMBIENTALES
• ESTABILIDAD • IMPACTOS SOCIO-ECONÓMICOS Y CULTURALES • DESCARGAS A AGUAS SUPERFICIALES • FILTRACIONES A AGUAS SUBTERRÁNEAS • EROSIÓN EÓLICA • PREVISIONES PARA EL CIERRE Y ABANDONO
ESTABILIDAD
• TALUDES DE PRESA DE CONTENCIÓN • TALUDES ADYACENTES • CIMENTACIÓN • SISMOS • TUBIFICACIÓN • REBOSE (OVERTOPPING)
Procedimiento Generalizado para el Análisis de Estabilidad de Taludes en Presas de Relave (Vick,1983) PASO
MÉTODO
(1) Seleccione la configuración tentativa del talud.
Experiencia y criterio
(2) Determine la ubicación de la línea freática en base a drenaje interno, permeabilidad y condiciones de frontera.
Redes de flujo Modelos numéricos Soluciones publicadas
(3) Establezca si resultarán excesos de presión de poros iniciales con elevación de la presa.
Compare la velocidad de elevación con la velocidad de disipación para relaves y suelos blandos de cimentación
(4) Ejecute los cálculos de estabilidad para las condiciones aplicables.
Use cualquiera de los métodos disponibles después de definir condiciones de carga, casos de análisis y resistencia cortante drenada y no drenada
(5) Retorne al paso (1) y modifique la configuración tentativa si los factores de seguridad no son adecuados.
Resumen de las Condiciones de Análisis de Estabilidad para Presas de Relave (Vick, 1983) Condición de Análisis (1) Final de la construcción
Aplicabilidad
Resistencia y Condiciones de Presión de Poros Usuales
Dique inicial en cimentación blanda. Elevación de Análisis de resistencia no-drenada y ∅ =0 línea central en relave fino.
(2) Construcción por etapas Terraplenes de cualquier tipo en cimentación blanda. Terraplenes aguas arriba levantados rápidamente.
Análisis incremental tomando en cuenta cambios en el exceso de presión de poros y presión de poros estáticas en función del tiempo. Use ∅ T ó Su/σc para considerar la presión de poros durante el corte.
(3) Largo plazo
Terraplén a máxima altura cuando las elevaciones se Análisis en esfuerzos efectivos utilizando ∅, y construyen lentamente.
línea freática de infiltración constante.
Terraplén a máxima altura cuando pueden ocurrir Análisis en esfuerzos totales tomando en cuenta cambios rápidos en carga de material suelto. la presión de poros durante el corte generalmente usando ∅ T (4) Desembalse rápido
Ninguno.
Factores Mínimos de Seguridad para el Talud de Aguas Abajo (Modificado de COE, 1970) I*
II*
Empleando parámetros de resistencia pico al corte
1.5
1.3
Empleando parámetros de resistencia residual al corte
1.3
1.2
Incluyendo la carga para el mayor terremoto que puede ocurrir en un período de 100 años
1.2
1.2
1.3
1.3
Suposiciones
Para el deslizamiento horizontal sobre la base de depósitos de retención de relaves en áreas sísmicas, asumiendo que la resistencia al corte de los relaves detrás de la presa se reduzca a cero. * I
Si se anticipa que se producirán daños severos como consecuencia de una falla en el depósito.
**II Si se anticipa que no se producirán daños severos como consecuencia de una falla en el depósito.
Características de Métodos de Análisis Comúnmente Empleados para la Estabilidad de Taludes (Según TRB, 1996) Método
Limitaciones, Suposiciones, y Condiciones de Equilibrio Satisfechas
Método Ordinario de Dovelas
Factores bajos de seguridad-muy inexactos para taludes de poca pendiente con presiones altas de poros, sólo para superficie circulares de derrumbes; se asume que la fuerza normal sobre la base de cada rebanada es W cos a; una ecuación (equilibrio de momento de toda la mas), una incógnita (factor de seguridad).
Método Modificado de Bishop
Método preciso; sólo para superficie circulares de derrumbe, satisface el equilibrio vertical y el equilibrio de momento total, asume que las fuerzas laterales sobre rebanadas son horizontales.
Método Simplificado de Janbu
Método de equilibrio de fuerzas; aplicable a cualquier forma de superficie de derrumbe; asume que las fuerzas laterales son horizontales (las mismas para todas las rebanadas); generalmente los factores de seguridad son considerablemente más bajos que los calculados empleando métodos que satisfacen todas las condiciones de equilibrio.
Método Sueco Modificado
Método de equilibrio de fuerzas, aplicable a cualquier forma de superficie de derrumbe; asume que las inclinaciones de las fuerzas laterales son iguales a la inclinación del talud (las mismas para todas las rebanadas); los factores de seguridad a menudo son considerablemente más altos que los calculados empleando los métodos que satisfacen todas las condiciones de equilibrio.
Procedimiento Generalizado de Satisface todas las condiciones de equilibrio; aplicable a cualquier forma de superficie de derrumbe, asume alturas de fuerzas laterales por encima de la base de rebanada (variando de Janbu rebanada en rebanada); problemas de convergencia numéricos más frecuentes que en algunos otros métodos.
Características de Métodos de Análisis Comúnmente Empleados para la Estabilidad de Taludes (Según TRB, 1996)
Método
Método de Spencer
Limitaciones, Suposiciones, y Condiciones de Equilibrio Satisfechas Satisface todas las condiciones de equilibrio; aplicable a cualquier forma de superficie de derrumbe, asume que la inclinación de fuerzas laterales es la misma para todas las rebanadas; la inclinación de la fuerza lateral es calculada en el proceso de solución de modo que se satisface todas las condiciones de equilibrio; método preciso.
Método de Morgenstern y Price Satisface todas las condiciones de equilibrio; aplicable a cualquier forma de superficie de derrumbe; asume que las inclinaciones de las fuerzas laterales siguen un patrón prescrito, llamado f(x); las inclinaciones de las fuerzas laterales pueden ser las mismas o pueden variar de rebanada en rebanada; las inclinaciones de fuerzas laterales son calculadas en el proceso de solución de modo que se satisface todas las condiciones ; método preciso.
PROTECCIÓN DE LAS AGUAS
• EVITAR FORMACIÓN DE AGUAS ÁCIDAS • CONTROL DEL INGRESO DE ESCORRENTÍA • CONTROL/TRATAMIENTO DE DESCARGAS
CONTROL DEL INGRESO DE AGUA DE ESCORRENTÍA • DESVÍO AGUAS ARRIBA • CANALES DE INTERCEPCIÓN (CORONACIÓN)
Aliviadero
(a) Almacenamiento
(b) Paso a través de aliviadero
MÉTODOS DE MANEJO DE ESCORRENTÍA EXTERNA (Vick, 1983)
Tajo de mina Canal de desvío Desmonte
(c) Desvío por canales
(d) Almacenamiento y desvío por tajos y desmonte
MÉTODOS DE MANEJO DE ESCORRENTÍA EXTERNA (Vick, 1983)
Canal de desvío Desmonte
Conducto
Relaves
(e) Desvío por canales
(f) Almacenamiento y desvío por presa aguas arriba y aguas arriba y conducto
MÉTODOS DE MANEJO DE ESCORRENTÍA SUPERFICIAL (Vick, 1983)
CONTROL DE DESCARGAS
• CONOCER BALANCE DE AGUAS • RECOLECTAR DRENAJE • INTERCEPTAR FILTRACIONES • TRATAMIENTO
ORIGEN Y CARACTERÍSTICAS
• RELAVES • RESIDUOS DE LIXIVIACIÓN • DESMONTE DE ROCA
DEPÓSITOS DE RELAVES-ELEMENTOS • PRESAS DE CONTENCIÓN • EMBALSE DE RELAVES • SISTEMA DE CICLONEO • SISTEMA DE DECANTACIÓN • SISTEMA DE DRENAJE • FILTROS • SISTEMA DE CONTROL DE FILTRACIONES • SISTEMA DE RETORNO DEL AGUA • SISTEMA DE RECIRCULACIÓN • SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUA
PARÁMETROS DE DISEÑO • CARACTERÍSTICAS DEL RELAVE • CAUDAL (PASTA) - SÓLIDOS - AGUA • CAPACIDAD REQUERIDA/DISPONIBLE • TOPOGRAFÍA • HIDROLOGÍA • CIMENTACIÓN • RIESGO SÍSMICO
TIPO DE PRESA
• TIPO RETENCIÓN DE AGUA - MATERIAL DE PRÉSTAMO - DESMONTE DE MINA • RELAVE CICLONEADO - AGUAS ARRIBA - AGUAS ABAJO - LÍNEA CENTRAL
Núcleo impermeable
Filtro
Riprap Zona de drenaje
Agua decantada
Relave
PRESA DE MATERIAL DE PRÉSTAMO
(Vick, 1983)
Grifos Tubería de descarga de relave
Poza de Decantación
Playa Terraplén
(a) Por Grifos
Descarga activa Segmentos desconectados de tubería
Playa Poza de Decantación Deltas de relave de descarga previa
(b) Descarga en un solo punto
MÉTODOS DE DESCARGA PERIFÉRICA (Vick, 1983)
Descarga de relave
Zona 1 Arenas de alta permeabilidad
Zona 2 Permeabilidad intermedia
Zona 3 Lamas de baja permeabilidad
MODELO CONCEPTUAL DE LA VARIACIÓN DE LA PERMEABILIDAD DE UN DEPÓSITO DE RELAVE (Kealy y Busch, 1971))
Descarga permanente
(a)
Poza de aguas de relave Poza de aguas de recuperación
MÉTODO DE DESCARGA ESPESADO (Robinsky, 1979)
CONFIGURACIÓN GENERAL
• VALLE • LADERA • ANILLO
(a) Simple
(b) Múltiple
EMBALSE A TRAVÉS DE VALLE
(Vick, 1983)
(a) Simple
(b) Múltiple
EMBALSE EN LADERA
(Vick, 1983)
Canal de desvío
(a) Simple
(b) Múltiple
EMBALSE EN FONDO DE VALLE (Vick, 1983)
SISTEMA DE CICLONEO
• GRANULOMETRÍA DEL RELAVE ENTERO • DILUCIÓN • UNDERFLOW (ARENA) - SÓLIDOS - AGUA - GRANULOMETRÍA • OVERFLOW (LAMA) - SÓLIDOS - AGUA - GRANULOMETRÍA
Playa de relave depositado con grifos
Poza decantadora
Línea de descarga de relave
Dique de inicio
(a) Dique perimental
(b)
(c)
(d)
SECUENCIA DE ELEVACIÓN, PRESA AGUAS ARRIBA (Vick, 1983)
Condición de poza alta
Condición de poza baja (a) Efecto de localización del agua en la poza
Segregación de playa alta
Segregación de playa baja
(b) Efecto de la segregación de playa y variación lateral de la permeabilidad
Cimentación impermeable Cimentación permeable
(c) Efecto de la permeabilidad de la cimentación
FACTORES QUE INFLUENCIAN LA LOCALIZACIÓN DE LA LÍNEA FREÁTICA PRESA AGUAS ARRIBA (Vick, 1983)
Zon a impermeable Agu a almacenada
Diq ue de inicio Dren in terno
(a)
(b)
(c)
(d)
SECUENCIA DE ELEVACIÓN, PRESA AGUAS ABAJO (Vick, 1983)
Playa de relave depositada por grifos
Poza decantadora
Línea de descarga de relave Dique de inicio Dren interno
(a)
(b)
(c)
SECUENCIA DE ELEVACIÓN, PRESA LÍNEA CENTRAL (Vick, 1983)
A1
H1
(a) Aguas arriba
A2 = 3A 1 H2 = H 1
(b) Aguas abajo o presa de tierra
A 2 = 2A
1
H3 = H 2= H 1
(c) Línea central
COMPARACIÓN DE VOLÚMENES DE RELLENO PARA VARIOS TIPOS DE PRESAS (Vick, 1983)
SISTEMA DE DECANTACIÓN
• TORRE • QUENAS • BALSAS
Balsa y bomba o sifón
Pontones de apoyo Línea de retorno de agua
Relave Presa
A la planta a) Balsa flotante
Puntos abiertos
Puntos Sellados
Relave Presa Conducto
b) Torre de decantación
A la planta
MÉTODOS DE DECANTACIÓN (Vick,1983)
SISTEMA DE DRENAJE
• DEPRIMIR NIVEL FREÁTICO • PREVENIR AFLORAMIENTO EN TALUD DE AGUAS ABAJO • REDUCIR FUERZAS DE FILTRACIÓN • DIRIGIR FILTRACIONES A PUNTOS CONTROLADOS
(a) Aguas abajo
(b) Línea central
USO DE NÚCLEO DE BAJA PERMEABILIDAD EN PRESAS DE RELAVE (Vick,1983)
a) Aguas arriba con dique de inicio y carpeta
b) Aguas abajo con dren y carpeta
c) Línea central con dren y carpeta
USOS DE ZONAS DE DRENAJE INTERNO EN PRESAS DE RELAVE (Vick,1983)
Arena Lama
(a) Aguas arriba
Lama
Arena
(b) Aguas abajo
Lama
Arena
(c) Línea central
USO DE RELAVE PARA DRENAJE INTERNO EN PRESAS DE RELAVE (Vick,1983)
FILTROS
• PREVENIR MIGRACIÓN DE PARTÍCULAS (TUBIFICACIÓN) • SUELOS GRANULARES • GEOTEXTILES
FILTROS-UBICACIONES
• RELAVE
PRESA
• RELAVE
DRENES
• RELAVE
SUELOS NATURALES
• PRESA
DRENES
CONTROL DE FILTRACIONES
• DESCARGA “CERO” • INTERCEPCIÓN GRADIENTE ABAJO • CORTINA IMPERMEABLE • POZOS • RETORNO DE POZA DE DECANTACIÓN
CRITERIOS DE UBICACIÓN Y DISEÑO
• TOPOGRAFÍA Y CAPACIDAD • UBICACIÓN RESPECTO A CONCENTRADORA • TECTÓNICA LOCAL • IMPACTOS SOCIO-ECONÓMICOS • RÉGIMEN HIDROGEOLÓGICO • ESTABILIDAD • CONTROL Y MANEJO DE AGUAS DE ESCORRENTÍA • CONTROL Y MANEJO DEL EXCESO DE AGUA • CONTROL Y MANEJO DE FILTRACIONES
