Causas y Mecanismos de Las Fallas de Presas

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CAUSAS Y MECANISMOS DE FALLAS EN PRESAS DE RELAVES 1 Victor Daniel Oyola Falconí Ingeniero Civil RESUMEN Es importante conocer, estudiar y analizar las causas y mecanismos de fallas que se producen en las presas de relaves, para poder tener en cuenta que variables inducen a un posible colapso de las mismas, buscando evitarlos y/o disminuir su posible presencia al momento de diseñar una presa de contención de residuos mineros. Este artículo muestra las causas de falla identificadas por ICOLD (International Commission on Large Dams) a través de una recopilación de eventos ocurridos a escala mundial, así como algunos mecanismos de falla que pueden presentarse en una presa de relaves. Se muestran diversos gráficos estadísticos a partir de los casos estudiados por ICOLD, los cuales son muy útiles para los ingenieros involucrados con el diseño de las unidades de almacenamiento de relaves. 1) INTRODUCCIÓN El año 2001, ICOLD publicó su Boletín N°121 titulado “ Tailing Tailing Dams. Risk of Dangerous Occurrences. Lessons Learnt From Practical Experiences” Experiences” , el cual

recopiló 221 casos históricos de fallas en presas de relaves a nivel mundial, y brindó valiosa información, la cual permitió generar gráficos estadísticos a partir de los casos documentados. Una de las conclusiones más resaltantes obtenidas a partir de dicha publicación, fue el que las causas de fallas más comunes en presas de relaves no eran las mismas que en lo concierte a presas de agua. Asimismo, se observó que el sistema constructivo del dique de la presa de relaves, así como las componentes empleadas para su construcción, también tenían incidencia en la probabilidad de falla.

Figura N°1 Tipos N°1 Tipos de Presas de Relaves según Método Constructivo

Las líneas punteadas en la Figura la Figura N°1 hacen alusión a cómo va el recrecimiento de la presa según las etapas de construcción, es decir indican la dirección en cómo crece el dique a lo largo del tiempo. 3) CAUSAS DE FALLA EN PRESAS DE RELAVES A partir del Boletín 121 de ICOLD se obtuvo la estadística de causas de falla en presas de relaves mostrada en la Figura la Figura N°2.

2) SISTEMAS CONSTRUCTIVOS EN PRESAS DE RELAVES Existen diversos tipos de presas para la contención de residuos mineros, pero normalmente se construyen presas de tierra. En el Perú la gran mayoría de presas de relaves son presas transversales a un cauce. Este tipo de presas son construidas mediante tres métodos constructivos (aguas arriba, aguas abajo y línea central) los cuales se muestran en la Figura la Figura N°1.

Figura N°2 Causas Causas de Falla en Presas de Relave

1 Artículo originado a partir de la tesis “Propuesta para Modelación Numérica de Rotura de una Presa de Tierra de Contención de Relaves presentada en la Universidad Nacional de Ingeniería para optar el título de ingeniero civil. Convencionales” presentada

Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org / [email protected]


Como se puede apreciar en la Figura N°2, las causas de falla en presas de relave más frecuentes son los deslizamientos (27%) inducidos por inestabilidad de taludes y los sismos (18%) los cuales generan el fenómeno de licuación sobre los suelos de fundación de las presas. Las roturas por desbordamiento y tubificación también se han presentado, pero con menor frecuencia. Se hará una breve descripción de los deslizamientos y sismos en presas por ser las causas más frecuentes en roturas de presas de relaves. 3.1) Deslizamientos en Presas El deslizamiento de un talud ocurre cuando los esfuerzos de corte en una superficie que delimita un bloque de suelo, exceden la resistencia al corte del material. En particular, para las presas de residuos mineros, hay tres situaciones típicas, que son las que comúnmente desencadenan un deslizamiento de talud: 1) Elevación de nivel freático y su aproximación al talud. 2) Desarrollo de presiones de poro durante trabajos de recrecimiento (un ritmo de recrecimiento excesivo no permite la disipación de presiones de poro), durante la instalación de la cobertura o por tránsito de maquinaria pesada. 3) Licuación de las zonas saturadas del depósito debido a una acción sísmica. En la Figura N°3 se ilustra un esquema de la falla por deslizamiento en presas de relaves.

Cuando un material granular tiene sus poros llenos de agua (condición saturada), estos cambios de volumen deben ocurrir a expensas de expulsar agua de los poros. Este flujo de agua puede tomar tiempos variables, dependiendo de la permeabilidad del material. Si la permeabilidad es baja y la distancia a los drenes es grande o las acciones (cargas o deformaciones) ocurren rápidamente, ocurrirá un incremento de la presión del agua. Este aumento de la presión del agua intersticial tiene el efecto de disminuir la resistencia cortante entre partículas, hasta el punto de hacer que el material fluya como un líquido viscoso, de alta densidad. 4) MECANISMOS DE FALLA EN PRESAS DE RELAVES En el libro “Geotecnia de los Suelos Peruanos” (Carrillo, 2001), se muestran posibles diagramas de fallas que pueden presentarse en las roturas de las presas de relave, las cuales se muestran en el Cuadro N°1, acompañados de un diagrama esquemático para cada una de ellos. Cuadro N°1 Diagramas de Fallas en Presas de Relave

Tipo de Falla

Características

Diagrama de Falla

- Falla del talud aguas abajo por deslizamiento. 1) Inestabilidad del apoyo (Falla Estructural) - Hundimientos en el pie del dique.

Figura N°3 Falla por Deslizamiento en una Presa de Relaves

2) Desbordamiento (Overtopping)

- Erosión regresiva en el talud externo del dique.

3) Desórdenes por flujo de agua o filtraciones descontroladas (Excesivas)

- Socavación del talud aguas abajo por tubificación. - Erosión regresiva.

4) Diques y muros de arranque inadecuados

- Movimiento de finos a través de un dique de esteriles gruesos.

3.2) Sismo en Presas Uno de los problemas más importantes que deben tomarse en cuenta son los efectos que generan los sismos en las presas, los cuales podrían producir fallas por efecto de ondas sísmicas o licuación de suelos. El fenómeno de licuación de materiales granulares (no plásticos) se puede entender, si primero se comprende la tendencia de estos materiales a reducir su volumen de poros cuando se los somete a deformaciones de corte cíclicas.



Cuadro N°1 Diagramas de Fallas en Presas de Relave (Continuación)

Tipo de Falla

Características

Diagrama de Falla

- Inestabilidad de taludes inicial. 4) Diques y muros de arranque inadecuados

Figura N°4 Países con Más de 5 Fallas Históricas

- Erosión regresiva.

- Deslizamientos catastróficos (“Soplarse las Relaveras”).

5) Desórdenes por mal funcionamiento del sistema de deposición

Figura N°5 Países con Menos de 5 Fallas Históricas

En la Figura N°6 y la Figura N°7 se muestran los números de incidentes ocurridos según el mineral extraído, como se puede apreciar los procesos de extracción de cobre (52 casos) y oro (28 casos) son los que más incidentes presentaron.

- Flujo rápido de agua que produce sifonamiento en la arena del dique.

- Deslizamientos del talud aguas abajo.

6) Vibraciones y otros

- Licuación de arenas saturadas que originan falla total de la presa.

Figura N°6 Fallas Según Tipo de Mineral (≥ 5 Incidentes)

5) ESTADÍSTCAS A PARTIR DE CASOS DE FALLA EN PRESAS DE RELAVES Como ya se había mencionado, en base a la documentación de casos históricos de fallas en presas de relaves recolectados en el Boletín 121 (ICOLD, 2001), se pudo generar gráficas estadísticas, las cuales se muestran y describen a continuación. La Figura N°4 y la Figura N°5 hacen alusión a la cantidad de casos históricos registrados por ICOLD hasta el año 2001, se aprecia que el país con más fallas históricas es Estados Unidos (91 casos) y en segundo lugar se encuentra Chile (26 casos).

Figura N°7 Fallas Según Tipo de Mineral (< 5 Incidentes)

Previamente se mencionó que el sistema constructivo del dique de la presa influencia en la probabilidad de falla de la misma tal como se puede notar en la Figura N°8, observándose que las presas construidas con el sistema aguas arriba (89 casos) son las más propensas a presentar fallas, mientras que las presas



construidas con el sistema de línea central son las menos propensas (14 casos).

Figura N°11 Incidentes Según Mecanismo de Falla

Figura N°8 Fallas Según Sistema Constructivo del Dique

Otro factor que incide en la probabilidad de falla es el material de relleno del dique de la presa, lo cual se puede observar en la Figura N°9, donde se aprecia que las presas de diques de relaves son las más susceptibles (69 casos), mientras que las presas de enrocado (9 casos) son las más seguras.

La Figura N°12 muestra incidentes según causas de falla versus sistema constructivo, lo cual permite apreciar que las presas construidas con el sistema aguas arriba falladas por inestabilidad de taludes (31 casos) y sismos (25 casos) han sido las más usuales.

Figura N°12 Causas de Falla vs Sistema Constructivo Figura N°9 Fallas Según Material de Relleno del Dique

La Figura N°10 muestra que las fallas en presas de relaves pueden presentarse tanto en etapa de operación como en etapa post cierre. Las presas activas (180 casos) son las más propensas, mientras que las presas inactivas (26 casos) presentan menor cantidad de fallas.

Figura N°10 Fallas Según Presas Activas o Inactivas

En la Figura N°11 se muestran los incidentes ocurridos según los mecanismos de fallas. Los números de casos mostrados fueron la base para la elaboración del gráfico estadístico previamente mostrado en la Figura N°2.

En la Figura N°13 se muestran incidentes según material de relleno (del dique) versus el sistema constructivo, lo cual permite observar que los casos más frecuentes se presentaron en diques de relaves construidos con el sistema aguas arriba (61 casos).

Figura N°13 Material de Relleno del Dique vs Sistema Constructivo

La Figura N°14 muestra incidentes según causas de falla versus material de relleno del dique, notándose que las presas con material de relleno de relaves han fallado más veces por inestabilidad de taludes (19 casos) y por sismo (19 casos).



From Practical Experiences” . Paris, Francia,

2001. [3] OLDECOP Luciano, RODRÍGUEZ Roberto. “Mecanismos de Fallas de las Presas de Residuos Mineros” . Revista Ingeniería Civil,

N° 148. Madrid, España, 2007. [4] OLDECOP Luciano, ZABALA Francisco, RODRÍGUEZ PACHECO Roberto, GARINO LIBARDI Lucas. “Funcionamiento Hidráulico, Estabilidad y Mecanismos de Rotura de Presas de Relaves Mineros” . V Figura N°14 Causas de Falla vs Material de Relleno del Dique

6) CONCLUSIONES 

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Las causas de falla más frecuentes históricamente en roturas de presas de relave son deslizamientos (27%), sismo (18%) y desbordamiento (16%). Estados Unidos es el país que más casos de fallas en presas de relaves ha presentado, siguiéndolo de lejos en un segundo lugar Chile.

Congreso Argentino de Presas y Aprovechamientos Hidroeléctricos. Tucumán, Argentina, 2008. [5] ORDOÑEZ CUROTTO Alberto CEPIS de la OPS/OMS. “Canchas de Relaves de Concentradoras Mineras” . Primera Edición. Lima, Perú, 1984. [6] OYOLA FALCONÍ Victor Daniel. “Propuesta para Modelación Numérica de Rotura de una Presa de Tierra de Contención de Relaves Convencionales” . Tesis para Optar

el Título de Ingeniero Civil. Universidad Nacional de Ingeniería. Lima, Perú, 2016.

Las presas de almacenamiento de residuos mineros de cobre y oro han sido las más propensas a fallar hasta la fecha. Según el sistema constructivo del dique, las presas de relave más propensas a fallar son las construidas mediante el método de recrecimiento aguas arriba, mientras que las que menos fallas han presentado son las presas construidas empleando el sistema de recrecimiento por línea central. Las presas cuyo material de relleno del dique está compuesto por relaves mineros, son las que han fallado con mayor frecuencia. Las fallas comúnmente han ocurrido en presas en funcionamiento (presas activas), no obstante también se han presentado fallas en etapa post cierre (presas inactivas).

7) REFERENCIAS [1] CARRILLO GIL Arnaldo. “Geotecnia de los Suelos Peruanos” . Primera Edición. Lima, Perú, 2001. [2] ICOLD. Boletín 121: “Tailing Dams. Risk of Dangerous Occurrences. Lessons Learnt


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