Experiencias de Operación y Monitoreo de Diques Resistentes de Arena de Relaves en la Estabilidad de Depósitos de RelavesLara Montani, José Luis Ingeniero Geotécnico Especialista en Presas de Relaves Unidad de Tecnología Minera y Geotecnia - Arcadis Geotécnica, Chile RESUMEN Los depósitos de relaves con diques resistentes de arena de relaves cicloneados son el tipo de presa de mayor aplicación en la minería chilena debido a su bajo costo en relación a otros tipos de presas tales como presas de enrocado y de material de préstamo convencional. Los diques resistentes de arena de relaves son construidos mediante disposición hidráulica de arena de relaves, las cuales se obtienen mediante clasificación hidráulica en ciclones de los relaves producidos en la planta de proceso de minerales. Dada la naturaleza arenosa del material de construcción del dique resistente y la alta sismicidad que caracteriza a la región sur-occidental de América, los riesgos de inestabilidad por licuación de las arenas de relaves que conforman el dique, es el principal riesgo a considerar. Para minimizar los riesgos de inestabilidad del dique resistente, los aspectos operacionales y de monitoreo geotécnico juegan un papel clave. Los aspectos más importantes en el manejo operacional son: a) obtención de arenas de construcción del dique permeables, b) compactación de las arenas del dique resistente, c) construcción de drenes basales potentes, d) manejo de la descarga de relaves al depósito y alejamiento de la laguna de clarificación del dique resistente, y e) control del peralte mínimo y velocidad de crecimiento del dique resistente. Dentro de los aspectos de monitoreo geotécnico del dique resistente se encuentran a) el control de calidad de la granulometría y densidad de compactación de las arenas del dique, b) monitoreo del nivel de altura de agua al interior del dique, c) control de aforos de filtraciones del sistema de drenaje, y d) monitoreo sísmico del dique y terreno de fundación. El presente trabajo técnico resume parte de la experiencia lograda en la operación y monitoreo de grandes presas de arena de relaves en actual operación en Chile, algunas de ellas de alturas mayores a 100 m. 1.0 INTRODUCCIÓN Los depósitos de relaves con diques resistentes de arena de relaves se han construido desde principios de siglo y a lo largo del siglo han experimentado avances muy importantes que han permitido la construcción de presas de gran altura en áreas de alta sismicidad. Los mayores avances se lograron a través de la evaluación del comportamiento de estas presas ante eventos sísmicos severos y mediante el avance de la ingeniería geotécnica. En Chile, el terremoto de 1928 originó el colapso de la presa Barahona y el sismo de Marzo de 1965, causó el colapso del depósito de relaves El Cobre y arrasó con el poblado de El Cobre (Dobry & Alvarez, 1967), causando la muerte de 200 personas. Esta última catástrofe, generó la revisión de los métodos constructivos usados a esa fecha para la construcción de los diques resistentes. Esta revisión concluyó que las presas de relaves construidas con la fracción gruesa de los relaves (arenas) eran factibles, tomándose en consideración los siguientes factores claves (Barrera y Lara, 1998): i. ii. iii. iv. v. Diques resistentes construidos por el sistema de línea central o hacia aguas abajo. Arenas de construcción del dique resistente permeables. Arenas de construcción del dique resistente compactados mecánicamente. Potente sistema de drenaje basal. Control del nivel piezométrico, granulometría y densidad del dique resistente. Luego de ocurrido el sismo del 3 de Marzo de 1985 (magnitud Ms=7,8), se verificó en Chile el buen comportamiento sísmico de grandes presas con diques resistentes de arena de relaves tal como la presa El Cobre N°4 y Pérez Caldera N°2 de 50 y 90 m de altura, respectivamente, ambas construidas siguiendo los criterios antes citados. Lo anterior, contribuyó que en la década de los 90, en Chile y Perú se construyese grandes presas con diques resistentes de arena de relaves. En la Figura 1.0 se presenta la localización de los Megaproyectos que consideraron presas de éste tipo (Lara y Barrera, 2002). Conga Quellaveco El Mauro Torito y El Cobre 4 Quebrada Honda Talabre Presas en diseño Presas en operación Quillayes y El Chinche Tórtolas y Ovejería Presas en post-operación Figura 1.0.- Localización de Megaproyectos mineros en Sudamérica con presas de relaves con diques resistentes de arena de relaves (actualizado al 2002). Las presas con diques resistentes de arena de relaves, pueden alcanzar grandes alturas y/o grandes áreas de depositación. En la Tabla 1.0 se presenta las características generales de algunos depósitos de relaves con diques resistentes de arena de relaves. Tabla 1.0 Características Generales de Grandes Presas de Relaves con Diques Resistentes de Arena de Relaves (datos actualizados al 2002) Nombre Depósito Año Inicio Operación 1996 1992 1999 1999 Altura Actual (m) 80 50 25 160 Relación en Volumen dique/depósito 1:20 1:1.5 1:10 1:1.5 Capacidad Tasa Depósito Crecimiento Relaves Actual (Mm3) (m/año) 550 2.5 95 2.5 1270 3.5 200 9.5 Producción Actual de Mineral (ton/día) 54.000 18.000 64.000 110.000 Las Tórtolas El Torito Ovejería Quillayes 2.0 CONSTRUCCION DEL DIQUE RESISTENTE En general el dique resistente esta conformado por un dique de partida, el dique de arena, sistema de drenaje basal, sistema de impermeabilización aguas arriba del dique, sistema de captación de filtraciones aguas abajo del dique e instrumentación geotécnica. En la Figura 2.0 se presenta una sección tipo. Dique de arena Laguna de clarificación Talud impermeabilizado Piezómetros Piscina colectora filtraciones Depósito de relaves Drenes basales Dique de partida Zanja cortafuga Pozos de monitoreo Acelerógrafo Figura 2.0 Sección tipo de dique resistente de arena de relaves donde se aprecia todas sus obras componentes principales. 2.1 DIQUE DE PARTIDA El dique de partida tiene por función a) la depositación del agua necesaria para el inicio de la operación de la planta de proceso de minerales, b) la contención de cualquier evento meteorológico que pudiese ocurrir antes de la construcción del dique de arena, y c) permite la construcción del dique resistente de arena. Todo lo anterior hace que el dique de partida funciones como un embalse de agua por períodos de tiempo por lo general menores a 1 año, tiempo que en muchos casos hace que el dique resistente se construya con el estándar de un embalse para contención de agua. 2.2 DIQUE RESISTENTE DE ARENA DE RELAVES El dique resistente de arena de relaves, se construye con la fracción gruesa (arenas) de los relaves clasificados en estaciones de ciclones, desde donde son transportados a la cresta del dique mediante tuberías, y descargadas en forma hidráulica sobre el dique en una concentración en peso variables de 65 a 75%. Las aguas que no son retenidas por las arenas depositadas percolan a través del dique resistente, siendo captadas por el sistema de drenaje ubicado en la base del dique (Ver Foto 2.0). Las arenas depositadas en el dique, se descargan por sectores para permitir un período de aireación de 2 a 12 horas, tiempo en el cual disminuyen su contenido de humedad hasta un 8 a 12%, facilitando alcanzar grados de compactación del 95% del Proctor Estándar (equivalente por lo general al 60% densidad relativa), mediante compactación mecánica usando bulldozers con rodillos lisos vibratorios de peso estático mayor a 6 ton. En la Tabla 2.0 se presentan algunas características de compactación de diques resistentes. Foto 2.0 Vista Típica de sistema de drenes basales de diques de arena de relaves La pendiente que toma las arenas depositadas para conformar el dique resistente depende de la granulometría, peso específico, área de depositación y concentración de la descarga de las arenas y en general varía en el rango de H:V 3:1 a 4.5:1. Las arenas de construcción del dique resistente son de partículas de forma angular y de granos de tamaño medio a fino, con tamaño máximo 1 mm y con un contenido promedio de finos limosos no plásticos entre 10 a 25%. En la Tabla 2 se presenta algunas características granulométricas típicas de relaves. Tabla 2. 0 Depósito de relaves Las Tórtolas El Torito Quillayes Ovejería PE: TM: D50: Gs: 3.0 Características Geotécnicas Representativas de Algunos Diques Resistentes de Arena de Relaves (datos actualizados al 2002) Densidad seca in-situ (t/m3 ) 1.64-1.66 1.56-1.58 1.56-1.58 1.63-1.65 PE (%) >95 >95 >95 >95 Humedad in-situ (%) 9-11 10-12 11-13 10-11 Contenido de Finos (%) 11 18 14 15 TM Arenas (mm) 1 1 1 1 D50 (mm) 0.21 0.16 0.28 0.19 Gs 2.78 2.67 2.69 2.84 Proctor Estándar Tamaño máximo de partícula Tamaño de partículas que representa el 50% del material Gravedad específica MANEJO OPERACIONAL DEL DEPOSITO DE RELAVES El manejo operacional del depósito de relaves juega un papel clave en la estabilidad física del dique resistente del depósito de relaves. Los principales aspectos a controlar operacionalmente son: a) Descarga de relaves desde la cresta del dique resistente lo que permite confinar el talud de aguas arriba aumentando su estabilidad, y disminuye las filtraciones desde el depósito de relaves hacia el dique resistente y al terreno de cimentación. b) Alejamiento de la laguna de clarificación del dique resistente y localización en áreas de baja permeabilidad. Esto para disminuir las filtraciones desde la laguna de clarificación al dique resistente y evitar que la altura de agua se eleve al interior del dique resistente. Mantener un nivel mínimo de borde libre entre el nivel de la laguna de clarificación y la cresta del dique resistente. Esto con la finalidad de evitar el overtopping de la laguna por efecto de precipitaciones y crecidas excepcionales que confluyen al interior del depósito de relaves. Mantener un volumen y nivel mínimo de agua de la laguna de clarificación de aguas claras. Esto para disminuir las filtraciones desde la laguna hacia fuera del área del depósito de relaves y para tener un excedente de capacidad de regulación del agua que confluye al depósito de relaves. c) d) En la Figura 3.0 se aprecia un sistema de distribución típico de relaves en un depósito de relaves que mantiene la laguna alejado del dique resistente. Puntos de descarga de relaves Laguna de Clarificación Superficie base y relave depositado Figura 3.0 Vista del sistema de descarga de relaves y localización de la laguna de clarificación alejada del dique resistentes y localizada en sector adecuado para recircular el agua de la laguna de clarificación. En la Tabla 3.0 se presentan algunas características de algunos depósitos de relaves en operación y los manejos operacionales que tienen. Tabla 3.0 Depósito Las Tórtolas El Torito Quillayes Ovejería B.L.. S.R.L.A.C. S.E.L.A.C. (1) (2) Características generales de algunos depósitos de relaves de la minería del cobre en Chile (datos actualizados al 2002) Longitud Presa (km) 0.85 2.2 0.95 3.2 B.L. (m) >5 >5 >10 >4 Distancia Laguna Al Dique (1) (m) >150 >100 >200 >100 S.R.L.A.C. Balsas+bombas Balsas+bombas Torres+bombas Torres+bombas S.E.L.A.C. No tiene (2) Canaleta de evacuación Canaleta de evacuación Torre de evacuación Borde libre Sistema de recirculación de laguna de aguas claras. Sistema de evacuación de laguna de aguas claras. Distancia media en condiciones normales de operación del depósito de relaves. Durante lluvias excepcionales la laguna podría estar temporalmente en contacto con el dique. El depósito de relaves tiene la capacidad de regulación de la precipitación máxima creíble por lo que no cuenta con evacuador de emergencia. En la Foto 3.0 se aprecia sector del depósito de relaves con borde libre de presa bastante holgada y talud de aguas arriba impermeabilizado para evitar filtraciones desde la laguna de clarificación en situaciones excepcionales en que la laguna de clarificación entre en contacto con el dique resistente. Este efecto hace que el nivel de agua al interior del dique resistente no se eleve. Foto 3.0 Vista del talud de aguas arriba de dique resistente de arena de relaves el cual se aprecia un borde libre holgado (>10 m) y el talud de aguas arriba impermeabilizado con liner de HDPE. Se aprecia además los relaves en contacto con el dique y ausencia de la laguna de clarificación en contacto con el dique resistente. 4.0 MONITOREO GEOTECNICO DEL DIQUE RESISTENTE Otro aspecto operacional clave es el monitoreo geotécnico del dique resistente, para lo cual se deben controlar los siguientes aspectos: a) La granulometría y densidad de compactación de las arenas de construcción del dique resistente. La granulometría de las arenas son en general uniformes pero el contenido de finos es variable del orden de 10 a 25% de finos y a mayor contenido de finos menor la resistencia cíclica de las arenas y mayor el riesgo de licuación de las arenas. En relación a la densidad de compactación esta se requiere controlar debido a que a mayor densidad relativa de las arenas, menor el potencial de licuación de las arenas de construcción del dique resistente. El nivel de agua al interior del dique resistente juega un papel fundamental es la estabilidad sísmica del dique resistente, debido a que las arenas saturadas tienen un alto riesgo de licuación. El monitoreo geotécnico se realiza a través de piezómetros Casagrande, Piezómetros eléctricos de cuerda vibrante y piezómetros de fibra óptica. En general altos niveles de agua al interior del dique se asocian a deficiente funcionamiento del sistema de drenaje, baja permeabilidad de las arenas de construcción del dique y grandes volúmenes de descarga de relaves. Control de aforo de las filtraciones del sistema de drenaje del dique resistente. El control de la cantidad de filtraciones es un indicativo del buen funcionameinto del sistema de drenaje y del nivel de filtraciones provenientes a través del dique y del terreno de cimentación. Monitoreo sísmico del dique resistente y del área de la presa. Esto se realiza mediante la instalación de acelerógrafos para el registro de la onda sísmica y posterior evaluación del comportamiento sísmico de la presa. b) c) d) En la Tabla 4.0 se presentan algunos de los monitoreos geotécnicos que se realizan en algunos depósitos de relaves chilenos con diques resistentes de arenas de relaves. Tabla 4.0 Depósito Las Tórtolas El Torito Quillayes Ovejería C.G. C.D. P.C. P.E. A.C. A.F. 5.0 1. Tipos de monitoreos geotécnicos realizados en algunos diques resistentes de arena de relaves. C.G. x x x x C.D. x x x x P.C. x x x x P.E. x x x x A.C. x x x x A.S. x x x x A.F. x x x x Control granulométrico por tamizado Control de densidad vía densímetro nuclear y/o cono de arena Piezómetros Casagrande Piezómetros eléctricos de cuerda vibrante Acelerógrafos Aforos CONCLUSIONES Los diques resistentes de arenas de relaves son el tipo de presas de mayor aplicación en Chile debido a su bajo costo de construcción y fácil operación en relación a otros tipos de presas de relaves tales como presas de enrocado y material de préstamo, entre las más comunes. Sin embargo es importante indicar que las presas con diques resistentes de arena de relaves llevan asociadas otras obras tales como: estación de ciclones para la producción de la arena de construcción del dique, extensos sistemas de drenaje basal y obras de protección del dique a escurrimientos de agua, haciendo que la inversión inicial sea por lo general mayor, sin embargo, a mayor altura y volumen del dique resistente resulta por lo general en la alternativa de menor costo a mediano y/o largo plazo. 2. En zonas de alta sismicidad como lo es la región sur-occidental de América, el método constructivo de diques resistentes por línea central y talud aguas abajo son más adecuados a nuestra realidad sísmica. El agua por lo general es el principal elemento de riesgo para la estabilidad de las presas con diques resistentes de arena de relaves, por lo tanto los diseños y manejo operacional del depósito de relaves, deben estar orientados a su rápida eliminación en el cuerpo del dique y a minimizar el escurrimiento y/o filtraciones hacia el dique resistente, siendo esto posible si se consideran los siguientes factores claves: • La permeabilidad de las arenas del dique resistente debe ser lo suficientemente alta, como para evacuar rápidamente las aguas de lluvia y las aguas que vienen con las arenas de construcción del dique. Los valores mínimos de permeabilidad recomendados son del orden de 10-4 cm/s. Adicionalmente la densidad y contenidos de finos de las arenas de construcción del dique juegan un papel clave en la permeabilidad de las arenas. Construcción de drenes basales potentes y extensos, que garanticen capacidad para captar y eliminar el agua del dique y las filtraciones subterráneas que confluyen a él, de manera de minimizar un nivel freático al interior del cuerpo del dique. Las zonas donde las arenas del muro resistente se encuentren saturadas deben tener la densidad (compactación) adecuada como para garantizar un comportamiento dilatante, proporcionando resistencia a la presa y reduciendo el riesgo de licuación. Densidades relativas menores a 60% no parecen recomendables, aunque es importante acotar que la densidad óptima a alcanzar no siempre es una densidad mayor, no solo por los mayores costos que esta mayor densidad implica, sino que a mayor altura de la presa la posibilidad de amplificación sísmica del dique es menor a menor densidad de las arenas. Por tanto en el tema de la densidad optima, se debe evaluar con mucho detalle, caso a caso. La laguna de clarificación debe localizarse lo más alejada posible del muro resistente, para reducir filtraciones hacia el dique y evitar el aumento del nivel de agua al interior del dique. El borde libre de la presa debe ser siempre superior a la mínima altura que garantice que lluvias excepcionales que ingresen al depósito de relaves no alcancen niveles que sobrepasen el nivel de la cresta del dique, evitando overtopping de la laguna, con la consiguiente erosión de las arenas del dique. Este tipo de fenómeno es la segunda causa de fallas de éste tipo de presa. A éste respecto es importante acotar que la operación de los sistemas de evacuación de aguas claras al interior del depósito de lamas juegan un papel muy importante. Las arenas de relaves que conforman el dique resistente, son materiales fácilmente erosionables ante escorrentías de agua importantes que discurren por las laderas o ríos, por lo que se deben diseñar las obras de desvío necesarias que eviten o limiten el contacto de escorrentías con el dique resistente, obras tales como canales de protección y defensas ribereñas. En el caso que la laguna de clarificación pueda estar temporalmente en contacto con la presa por motivos operacionales ó lluvias excepcionales, el dique debe considerar superficies impermeabilizadas (generalmente a base de membranas sintéticas) en la zona de contacto. Los taludes de aguas abajo de los diques resistentes de arena de relaves deben ser construidos incluyendo un proceso de compactación mecanizada que tome en cuenta el comportamiento sísmico de la presa. El talud máximo (más empinado) recomendado del talud aguas abajo es (H:V=3.0:1). 3. • • • • • • 4. 5. En éste tipo de presas la estabilidad sísmica se debe evaluar aplicando metodologías orientadas a la determinación de las deformaciones permanentes, para lo cual se debe considerar la geodinámica del área de la presa, las características del terreno de cimentación y la caracterización geotécnica de las arenas de relaves. El monitoreo geotécnico de presas de relaves y en especial de presas con diques resistentes de arena de relaves, se reconoce hoy en día como el mecanismo más efectivo para verificar el buen comportamiento del dique resistente y de ser el caso, tomar las medidas correctivas operacionales necesarias. Esto se logra considerando los siguientes aspectos: • Control de calidad de la granulometría y densidad de las arenas de construcción del dique resistente. En relación a la granulometría el principal elemento de control es el contenido de finos de las arenas debido a su gran incidencia en la permeabilidad y resistencia cíclica de las arenas de relaves. En el caso de la densidad, se deberá verificar la densidad mínima de proyecto debido a su impacto es la estabilidad sísmica de la presa. En ambos casos se deben considerar métodos rápidos de medición tal como es el caso de granulometrías por tamizado y densímetros nucleares. Control de la geometría del dique resistente. Esto implica verificar topográficamente al menos mensualmente las pendientes de diseño de ambos taludes y ancho de la cresta. El control del borde libre y cota de la laguna y cresta del dique resistentes debe controlarce diariamente. Monitoreo de la altura de agua al interior del dique resistente mediante instrumentación geotécnica tales como: piezómetros Casagrande, piezómetros eléctricos y de fibra óptica. Hoy en día éste tipo de instrumentación considera sistemas automáticos para la toma y procesamiento de datos de manera que se puede conocer en forma rápida la altura de agua al interior del dique y de requerirse, se podrá tomar medidas correctivas inmediatas tales como: construcción de drenes adicionales, descargar las arenas de construcción del dique temporalmente en otros sectores y/o descargar relaves al depósitos de relaves en sectores donde se requiere minimizar filtraciones. Monitoreo del caudal y contenido de sólidos de las filtraciones que confluyen al sistema de drenaje basal. Este monitoreo es un buen indicativo del comportamiento del sistema de drenaje basal. Monitoreo sísmico del dique resistente, mediante la inclusión de acelerógrafos y piezómetros dinámicos. Ambos equipos permiten conocer la naturaleza de la onda sísmica en el área de la presa y en el mismo dique, sino que además se puede conocer la sobrepresión de poros al interior del dique como consecuencia de una actividad sísmica. Este tipo de monitoreo es muy importante debido a que permite verificar la estabilidad sísmica de la presa para las condiciones reales de construcción. REFERENCIAS Barrera S. & Lara J. (1998). Geotechnical Characterization of Cycloned Sands for the Seismic Design of Tailings Deposits . 3rd International Congress on Environmental Geotechnics. Lisboa Lara J. y Barrera S. (2002). Presas de Relaves con Muros Resistentes de Arena - Experiencias de Aplicación y Posibilidades de Uso en Países Andínos. Revista Minería. Lima-Perú. Valenzuela L. y Barrera S. (1995). Large Tailings Dams Current Practice In Chile. X Congreso Panamericano de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Fundaciones. México. 6. • • • • 6.0 1. 2. 3.