PROPUESTA DE PENDIENTE DE TALUD DE PRESAS DE COLAS PARA ASEGURAR LA DISMINUCIÓN DE RIESGOS DE DESASTRES

APPROACH OF SLOPE OF TAILINGS WATER DAM TO ENSURE THE REDUCTION OF DISASTER RISKS

El desarrollo de la actividad minera hizo necesario llevar a cabo la construcción de presas de relave, las cuales tienen como objetivo almacenar los residuos sólidos del proceso minero-metalúrgico. Las presas de colas poseen similitud con las presas de agua, pues su objetivo principal es almacenar. La diferencia más importante es que se construyen progresivamente, a lo largo de todo el período de explotación minera. Deben crecer gradualmente en altura, con los mismos residuos o con otro material de préstamo, al ritmo de producción de residuos de una mina.

La ocurrencia de un sismo trae consigo afectaciones en las presas de colas; por tanto, estas pueden producir perjuicios tanto socioeconómicos como ambientales. El derrame de las colas debido a la ruptura de las instalaciones en las que estos residuos se almacenan o de los conductores que frecuentemente se usan para su transportación alcanza su máxima peligrosidad ante la ocurrencia de terremotos. Los daños en las vías de comunicaciones debido a los deslizamientos de tierra constituyen un fenómeno de alta peligrosidad, con afectaciones en las vías cercanas cuando son obstruidas.

Estos daños originan afectaciones individuales, familiares o a grupos sociales, ya que cualquier daño ocurrido al medio natural o construido repercute directa o indirectamente en el hombre.

Es por esto que las presas de colas deben permanecer estables durante toda su vida, ya sea de manera estática o dinámica, debido al alto peligro que estas pueden provocar al medioambiente y a la población.

Actualmente, en la provincia cubana de Holguín en el municipio de Moa existen tres presas de colas. Una corresponde a la empresa Comandante Ernesto Che Guevara; otra, a la empresa Comandante Pedro Sotto Alba; la tercera, inactiva, transformada en pasivo ambiental desde 1970. Hay otra en proceso de diseño y construcción, la presa Yagrumaje. Las mismas están expuestas a movimientos símicos debido a la cercanía a las zonas sismo-generadoras Oriente, Cauto–Nipe, Sabana o Norte Cubana y Norte de la Española. Estudios realizados por especialistas del Cenais (Noas, Vega, Ríos, Chuy, 2016) fundamentan que las mayores percepciones sismológicas en la región se registran desde 1992 hasta 1998, con sismos de magnitudes entre 3.2, 4.5, 5.6 en la escala de Richter.

Otros autores (Rodríguez, 2002; Hernández, 2015) hacen referencia a tres sismos registrados en Moa en los años 1995, 1996 y 1998 de intensidad de 4 y y 5.3 grados, que provocaron grietas en la balsa de residuo, inactiva, construida por la empresa Comandante Pedro Soto Alba. Además, justifican que una de las causas asociadas al fallo o rotura de las presas de residuos es la pérdida de estabilidad, lo que trae consigo la contaminación ambiental y afectaciones socioeconómicas; de ahí que el análisis de la estabilidad de las presas de colas del territorio es fundamental.

Por lo que se hace necesario concentrar los residuos mineros en una ubicación de óptimas condiciones para poder lograr la estabilidad de las presas de colas; de ahí que el objetivo del presente trabajo fue determinar y proponer las pendientes de los taludes aguas abajo de la presa de colas Yagrumaje del municipio de Moa, provincia de Holguín, en condiciones estáticas y dinámicas que aseguren la disminución de riesgos de desastres para los métodos de construcción aguas abajo y línea central.

El análisis seudoestático permite calcular un factor de seguridad de un dique bajo la influencia de una carga sísmica. (Martínez, Barrera y Gómez (2011)) platearon que este método utiliza el mismo procedimiento general que cualquiera de los métodos de equilibrio límite convencional, con la diferencia de que se incluyen fuerzas seudoestáticas horizontales (F_h) y verticales (F_v) debidas al evento sísmico. Los análisis seudoestáticos representan los efectos de las vibraciones de un terremoto mediante aceleraciones seudoestáticas que producen fuerzas inerciales F_h y F_v, las cuales actúan a través del centroide de la masa de falla.

Las magnitudes de las fuerzas seudoestáticas se indican en las ecuaciones I y II (Kramer, 1996): (1)(2)

donde: a_h y a_v son las aceleraciones horizontales y verticales, k_h y k_v soncoeficientes seudoestáticos horizontales y verticales adimensionales (coeficientes sísmicos), y W es el peso de la masa de falla.

Jibson (2011) plantea la (ecuación III) para realizar el cálculo del factor de seguridad por el método seudoestático.

donde:

W peso de la masa de falla

α ángulo de inclinación de la superficie de deslizamiento del talud

ø ángulo de fricción del material de talud

k coeficiente sísmico

Para lograr desarrollar el método seudoestático se hace necesario determinar el coeficiente sísmico. Ruesta, Díaz y Alva (1988) señalan que la acertada selección del coeficiente sísmico constituye uno de los mayores problemas y establecen que el coeficiente sísmico a utilizarse en el diseño de una presa está influenciado por factores como la sismicidad de la zona, las condiciones de cimentación, la altura y propiedades de los materiales, así como la importancia de la estructura y riesgo de daños aguas abajo.

Para obtener los valores de coeficientes sísmicos horizontales se realizó un análisis bibliográfico de diversos autores. Algunos de ellos tienen en cuenta la aceleración del terreno. Por ejemplo:

Terzaghi (1950) propone que k_h=0.1 para sismos severos, k_h=0.2 sismos severos y destructivos y k_h=0.5 sismos catastróficos.

Japón plantea factores de seguridad mayores que 1.0, los coeficientes se encuentran entre k_h=0.15 a k_h=0.25.

Estado de California propone k_h=0.05 a k_h=0.15.

Noda y Uwave (1979) proponen que k_h=amáx/g si amáx≤2 m/s2 y k_h=0.33(amáx/g)0.33 si amáx>2 m/s2.

Seed (1979), k_h=0.10 para FSsísmico≥1.15 y k_h=0.15 para FSsísmico≥1.15 con un 20 % de reducción de resistencia a grandes deslizamientos y sitios cercanos a fuentes sísmicas, capaz de generar un sismo de magnitud 6.5 y 8.5 respectivamente.

Seed (1980), k_h=0.15, FSsísmico≥1.15 siempre que no exista pérdida significativa de resistencia de los materiales durante el sismo (suelos arcillosos, arenas drenadas y suelos no cohesivos densos); además, sugiere verificar las deformaciones con el método de Newmark (1965).Marcuson (1981), k_h=0.33ªmáx/g a k_h=0.5ªmáx/g FS>1 considera posible amplificación o amortiguamiento.

uerpo de ingenieros (1982) plantea k_h=0.10 sismo importante, FS>1.0 y k_h=0.15 sismo de gran magnitud, FS>1.0

Krinitzsky et al (1993), Taniguchi y Sasaki (1996) recomiendan k_h=0.65ªmáx/g para deslizamiento de magnitud intermedia.

Seed y Martin (1966), Dakoukas y Gazetas (1986) proponen k_h=amáx/g para un talud pequeño y k_h=0.65ªmáx/g para deslizamiento de magnitud intermedia.

Hynes-Griffing y Franklin (1984) consideran k_h=0.5amáx/g para presas y con FS=1, y un 20 % de reducción de resistencia, concluyó que la presa no estará sujeta deformaciones importantes.

Saragoni (1993) propone k_h=0.3 amáx/g si amáx ≤ 6.7 m/s2 y k_h=0.22(amáx/g)0.2 si amáx> 6.7 m/s2.

Kramer (1996) k_h =0.5ªmáx/g apropiado para muchos taludes, pero que acota que no es una regla general.

Kramer (1996) k_h =0.5ªmáx/g apropiado para muchos taludes, pero que acota que no es una regla general.

La norma cubana NC 46:2014 plantea los valores de aceleración máxima del suelo para todos las provincias y municipios de Cuba. El municipio de Moa, provincia Holguín, tiene un valor es 0.227g. Con este valor se determinó la aceleración máxima del suelo de la zona de estudio, se obtuvo un de 0.216 g. Con la sustitución de este valor en los kh anteriormente analizados, que consideran la aceleración del suelo, se obtuvieron valores de kh que se encuentran entre 0.10, 0.12, 0.13, 0.14, 0.15, 0.20 y 0.30. No se escoge el valor de 0.5 porque solo se utiliza para sismos catastróficos y la zona de estudio es de sismos moderados.

Para lograr determinar los factores de seguridad en condiciones estáticas y dinámicas de los taludes de la presa de colas Yagrumaje del municipio de Moa, Holguín, se hace necesario realizar inicialmente a través del software Geostudio 2007 un análisis de filtración mediante la herramienta SEEP/W Analysis (Steady-State), un análisis estático Slope/ W Stability y un análisis dinámico con una carga sísmica horizontal a través de la herramienta KeyIn, Seismic Load.

Para realizar este análisis se recrearon las mismas condiciones en las que estará sometida la presa. Se analizaron por fases cada una de las variantes, teniendo en cuenta el nivel de agua en el embalse. Se introducen las propiedades de los materiales.

En la figura 1 (a-b) se observa cómo la línea de corriente superior (nivel freático) atraviesa la laterita, la cola y descarga en el punto inferior de la capa filtrante de arena, el flujo de infiltración está en la zona saturada y las presiones de agua disminuyen. Con la ayuda de SEEP/W se determinó la línea piezométrica que se requirió para la modelación de la estabilidad de los taludes con el SLOPE/W, lo que garantiza taludes estables y seguros.

Para realizar el análisis estático se considera el análisis de filtración antes realizado. Luego se crea un nuevo modelo, especificando el tipo de análisis, en este caso el de equilibrio límite. Se especifica el método por el cual el software realizará el análisis del factor de seguridad estático. El software brinda la posibilidad de ofrecer resultados por los métodos Morgenstern-Price, Ordinario, Bishop y Janbu. En este caso fue analizado por el método Morgenstern-Price, pues tiene en cuenta los momentos y las fuerzas de equilibrio, no así los otros métodos. Se especifica el modelo del material Mohr-Coulomb, se le asignan los materiales y sus propiedades. Se corre el programa en cada una de las fases y se obtienen los factores de seguridad estáticos. La tabla 1 (a-b) muestra un resumen de los resultados obtenidos del factor seguridad ante condición estática para los métodos de construcción aguas abajo y línea central.

Como se observa en la tabla 1 (a-b), para la variante aguas abajo en las dos primeras relaciones de taludes los factores de seguridad estáticos son menores que 1.5. Por tanto, para estas relaciones los taludes de la presa de colas Yagrumaje no son estables estáticamente. Sin embargo, para el resto de las relaciones el factor de seguridad estático aumenta progresivamente a medida que se incrementa la relación de los taludes aguas abajo de la presa.

En el método de construcción línea central, en la primera relación de talud 1.5:1 el factor de seguridad estático es menor que 1.5, no siendo así para el resto de las relaciones de taludes; sin embargo, los taludes a partir de la relación 2:1 hasta 4:1 manifiestan estabilidad.

Luego, se realiza el análisis dinámico con los valores de coeficientes sísmicos horizontales (k_h) como cargas sísmicas. Este trabajo se realizó para cada variante de método de construcción analizada, método aguas abajo y método línea central, variando los coeficientes sísmicos horizontales y las relaciones de taludes de la presa aguas abajo.

1. 1. El análisis de estabilidad de taludes de la presa de relave minero Yagrumaje, realizado mediante el software Geoestudio 2007 a través del empleo del método seudoestático, permitió determinar las pendientes de los taludes aguas abajo a través de los resultados de estabilidad de los factores de seguridad estáticos y dinámicos para los métodos de construcción aguas abajo y línea central. Con ello la potencialidad de riesgos de desastres fue determinada.

   En el análisis estático para la variante de construcción aguas abajo los taludes de la presa de colas se comportan inestables para las relaciones de taludes 1.5:1 y 2:1, pues los FS estáticos son menores que 1.5, por lo que estos valores de pendientes no son ideales para la construcción. No siendo así a partir de las relaciones de taludes 2.5:1, 3:1, 3.5:1 y 4:1, donde el factor de seguridad estático aumenta progresivamente, por lo que la presa es estable. En la variante línea central para la relación de talud 1.5:1 la presa es inestable, pero mejora a partir de la relación 2:1 en adelante.

   Los resultados del análisis dinámico arrojaron que en la variante método de construcción aguas abajo, para kh=0.13 las relaciones de taludes que permanecen estables son a partir de 2.5:1 y que para kh=0.30 ninguna relación de talud es estable. Para la variante línea central a partir de la relación de talud 2:1 para kh entre 0.13 y 0.15 los taludes son estables, de ahí en adelante dejan de serlo. Por lo que para las relaciones de taludes 2.5:1 y 3:1 los taludes son estables hasta kh=0.3 y a partir de este son inestables.