PRESENTACION DISEÑO DE PRESA EN MEXICO - CIERRE DE MINAS

ANÁLISIS Y DISEÑO SÍSMICO DE REPRESAS DE RELAVES Y EVALUACIÓN DE LICUEFACCIÓN Ciclo 2021-2 CIERRE DE MINAS ESTUDIANTES: ARBOLEDA GUIVAR, Walter

DOCENTE:

MAMANI SIMEON, Dennis

M. Sc. Ing. Carmen Rosalía Matos Avalos

MATOS SILVA, Rubens PEÑA CORREA, Erick

INTRODUCCIÓN

BACKGROUND PRESAS DE RELAVE Estructura de retención formado por material grueso RELAVE

Material limoso y arcilloso Preocupaciones en el diseño

Licuefacción de los materiales

Condiciones del sitio

Factores económicos, ambientales

CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Diseño de terraplén

Garantizar que las estructuras soporten las condiciones de cargas

Diseño de presas  Métodos de construcción Normativas internacionales y locales

 Criterios y consideraciones  Métodos de deposición

METODOS DE CONSTRUCCION

Estabilidad sísmica de las presas de relaves dependen de los métodos

Aguas Arriba

 Aguas arriba (upstream) Aguas Abajo

 Aguas abajo (downstream)  Línea central (centerline) Línea Central

METODOS DE CONSTRUCCION Método Aguas Arriba Es vulnerable en condiciones sísmicas

FACTORES

 Falta de rugosidad  Incertidumbres en la operaciones  Variación en el material de origen

METODOS DE CONSTRUCCION Método Aguas Abajo Este método tiene mayor estabilidad Se requiere mas volumen para la construcción de la estructura Método Línea Central Combinación de los métodos de Aguas arriba y Aguas abajo Tiene estabilidad aceptable y un costo moderado

LICUEFACCION DE PRESAS DE RELAVES Licuefacción Perdida brusca de resistencia y rigidez de un suelo en presencia de agua Etapas de estudio de Licuefacción Susceptibilidad de licuefacción

Análisis de desplazamiento

Análisis de estabilidad

LICUEFACCION DE PRESAS DE RELAVES Licuefacción cíclica Licuefacción Licuefacción de flujo

Fallo de la presa Kolontar (Hungria)

Ambos ocurren en depósitos de relaves

Fallo de la presa Harmony (Sudafrica)

METODOS DE ANALISIS Análisis Dinámico Evaluar la estabilidad sísmica de una presa de relaves La estimación de deformaciones permanentes por sismo

Métodos analíticos y numéricos

Se resuelven mediante métodos numéricos

CASO DE ESTUDIO

CONDICIONES GENERALES Y GEOTECNICAS DE LA PRESA El estudio corresponde al diseño de un deposito de relaves ubicado en una zona con alta sismicidad en México.

Dimensiones:  80 metros de altura  Superficie estimada de 19 hectáreas  Playa de 60 metros Se propusieron 2 modelos:  Método aguas arriba – aguas abajo  Método aguas abajo

Se estudiará la estabilidad para el primer método pues es el que representa la condición mas desfavorable

CONDICIONES GENERALES Y GEOTECNICAS DE LA PRESA

CONDICIONES SISMICAS Para evaluar la condición sísmica a largo plazo se utilizó el Terremoto Máximo Creíble (MCE).

Este se determinó mediante estudios de amenaza sísmica de fuentes sísmicas cercanas al lugar de estudio

Se sugiere usar el MCE para diseñar presas de alta resistencia

La aceleración sísmica es una medida de intensidad, fácil de relacionar con la escala de Mercalli Modificada que mide daños, por eso se usa para crear normas sísmicas

CARACTETIZACIÓN GEOTECNICA

ESTUDIOS DE LOS CIMIENTOS Estratigrafía

Arenas arcillosas con grava y roca alterada los primeros 10 – 20 metros de profundidad.

Resistencia

Se realizaron pruebas de: • Compresión simple • Estimación del modulo elástico • Coeficiente de permeabilidad

Velocidad de onda de corte

Permite conocer el modulo cortante del suelo y es usado para diseño de cimentaciones.

Modulo cortante: Estudia el cambio de forma de un material cuando se le aplican esfuerzos cortantes, cizallamientos o cambios de fuerza en el suelo

Resultados del estudio de dispersión de ondas superficiales

ESTUDIOS PARA LAS ESTRUCTURAS

TerraplénAguas abajo

Ya que es de relleno de rocas se seguirán parámetros de acuerdo con el CIGB ICOLD – Comisión Internacional de grandes Represas.

CIGB: Comisión que intercambia información y conocimientos sobre el diseño, construcción y mantenimiento de grandes represas

Presa aguas arriba

Se usaron ensayos triaxiales simulando las presiones a las que el suelo estaría expuesto para poder conocer la resistencia del suelo.

PROPIEDADES DEL RELAVE

PROPIEDADES ESTATICAS Se hicieron pruebas para conocer como varia la permeabilidad y la densidad del relave cuando esta sometido a diferentes presiones y a diferentes porcentajes de agua contenida

PROPIEDADES DINAMICAS Las propiedades dinámicas de los suelos son determinantes para conocer que efectos tendrían los sismos sobre este

Se hicieron pruebas triaxiales cíclicas con el fin determinar la capacidad del relave para generar exceso de presión de poro bajo una carga cíclica

El exceso de presión de poro depende de la cantidad de ciclos (vibraciones) generados, cuando este llega a cierto valor se produce la licuefacción.

Se hicieron pruebas con 10 diferentes valores de esfuerzo cortante y 20 ciclos cada una

EVALUACION DE LA LICUEFACCIÓN

Evaluación de la Licuefacción La primera etapa en la estimación de susceptibilidad a la licuefacción y evaluación de la probabilidad de "desencadenamiento" o iniciación de licuefacción del suelo

La segunda etapa en la evaluación del flujo de licuefacción.

Evaluación de la susceptibilidad a la licuefacción Se muestra la evaluación de la susceptibilidad a la licuefacción de cuatro muestras de relaves utilizando el método Bray y los criterios de Andrews y Martin.

Según el criterio de Bray las muestras 2 y 4 se encuentran dentro de la Zona A (susceptibles a licuefacción), mientras que las muestras 1 y 3 se encuentran dentro de la Zona B por lo que serán materiales con una susceptibilidad moderada o susceptibles a la movilidad cíclica.

Se decidió evaluar la capacidad de los relaves para generar exceso de presión de poro a partir de los resultados de las pruebas cíclicas triaxiales.

Se presenta los resultados de las pruebas de laboratorio dinámicas en términos de relación de exceso de presión de poro (Ru) frente al número de ciclos para tensiones de confinamiento de 50 kPa, 100 kPa y 200 kPa

• Los resultados de estas pruebas indican que el material de relaves alcanza relaciones de presión de poro en exceso menores que la unidad 1.0.

• Esto significa que no se produce licuefacción total o "licuefacción inicial".

Sin embargo, el material puede experimentar una pérdida significativa de resistencia y deformaciones por cizallamiento bajo estos valores de Ru

La licuefacción de flujo Es característica de terrenos con pendientes pronunciadas, que se aplica a las estructuras de relaves.

Como parte del proceso de evaluación de la licuefacción de flujo, se evaluó la susceptibilidad a la pérdida de resistencia y el comportamiento del suelo utilizando los datos de las pruebas de penetración de conos (CPT) de un depósito de relaves con características similares.

Se presenta una clasificación predominante entre mezclas de limo - limo arcilloso a arcilla limosa y mezclas de arena - arena limosa a limo arenoso

El comportamiento del Suelo Concepto de “equivalente de arena limpia” (Qtn, cs) por Robertson y Wride, que definieron el valor de Qtn, cs = 70 como límite entre comportamiento contractivo y dilativo Asimismo, se evaluó la sensibilidad en estos materiales utilizando datos CPT. Los relaves con respuesta contractiva presentaron una sensibilidad media a alta • Una posible pérdida de resistencia • El suelo puede deformarse o ablandarse en cizallamiento

Análisis dinámico La respuesta dinámica y la estabilidad sísmica de la presa de relaves se calcularon mediante un análisis dinámico bidimensional de elementos finitos.

• • • •

El análisis dinámico consideró las siguientes etapas: Determinación del nivel freático a través de la presa por transitorios análisis de flujo de agua Cálculo de equilibrio estático para definir las tensiones iniciales in situ Análisis dinámico (generación sísmica de presiones de poro excesivas en presa) Análisis de deformaciones post sismo.

Análisis de flujo de agua • Se realizó un análisis de flujo de agua transitorio utilizando propiedades hidráulicas saturadas e insaturadas.

• Se aplicó una carga total como condición de límite hidráulico en el nivel máximo del depósito de relaves • El objetivo es evitar la saturación de relaves cercanos a la estructura de retención •

La línea freática predicha o línea de filtración con modelo numérico

Análisis Dinámico La simulación de licuefacción se llevó a cabo utilizando un modelo de generación de presión de poro basado en el enfoque de estrés.

Bajo este enfoque, la presión de poro se calcula a partir de las tensiones desarrolladas durante el temblor del terremoto y mediante la función de relación de presión de poro (Ru).

Por lo tanto, es necesario determinar la curva de resistencia específica y la función de presión de poro de los materiales.

Las presiones de poro generadas durante el temblor son una función del número equivalente de ciclos uniformes, N, para un terremoto en particular y el número de ciclos, NL, que causarán licuefacción de un suelo en particular bajo un conjunto específico de condiciones de estrés

¿Cuando ocurre la licuefacción?

La licuefacción ocurrirá una vez que se haya alcanzado Ru = 1; es decir, cuando el exceso de presión de poro (Δu) es igual a la tensión efectiva de confinamiento Esta función depende de las propiedades del suelo y las condiciones de prueba, en el caso de los relaves; su comportamiento se rige por el tamaño de grano y la composición mineralógica. Las particularidades de esta función son importantes, porque la cantidad de presión de poro determinada en la simulación tendrá una consecuencia en la pérdida de resistencia y las deformaciones posteriores al terremoto.

RESULTADOS

RESULTADOS DEL ANÁLISIS se presenta en términos

ACELERACIONES

TENSIONES CÍCLICAS

EXCESO DE PRESIÓN DE PORO Y DEFORMACIONES

Para ello, se utilizaron puntos de monitoreo en el modelo, que permiten monitorear los resultados durante el tiempo dinámico.

RESPUESTA DINÁMICA Historial del tiempo de aceleración a diferentes profundidades en relaves.

¿Qué Observamos?

La aceleración máxima en la superficie es 0.8 g.

Hay una ligero movimiento de amplificación en la entrada a través de la presa de relaves.

RESPUESTA DINÁMICA Historial del tiempo de aceleración en la cresta de la presa inicial y los diques aguas arriba

¿Qué Observamos?

Para los puntos de monitoreo ubicados en la cresta de la presa de arranque y los diques aguas arriba, las aceleraciones máximas previstas fueron del orden de 0.28, 0.23 y 0.24g para los puntos A, B y C, respectivamente.

LICUEFACCION Y TENSIÓN CÍCLICA ru = 0.7

ru bajos, entre 0.15 a 0.35

Exceso de presiones intersticiales al final del terremoto

LICUEFACCION Y TENSIÓN CÍCLICA

Contornos de razón de tensión cíclica (CSR) calculados en el modelo numérico

DEFORMACIONES POSTERIORES AL TERREMOTO Las deformaciones de la presa posteriores al terremoto se ilustran en términos de vectores de desplazamiento y contornos de sombreado; además, se presentan los valores máximos de los desplazamientos horizontales y verticales permanentes para cuatro puntos de seguimiento. Los puntos de monitoreo se ubican en la cresta de la presa de arranque (Punto A), la cresta de los diques aguas arriba hasta la elevación de 1135 msnm (Punto B), la cresta de elevación máxima de los diques aguas arriba (Elev. = 1150 msnm) (Punto C) y superficie de relaves (Punto D).

DEFORMACIONES POSTERIORES AL TERREMOTO Se muestra que el mecanismo de falla comienza en el borde de la playa. Esto indica que, a pesar de no lograr la licuefacción durante el terremoto, pueden ocurrir deformaciones importantes.

CONCLUSIONES • La estabilidad y el comportamiento dinámico de la presa de relaves en estudio fueron aceptables; Además, las deformaciones posteriores al terremoto no afectan el estado de servicio de la estructura. Para este método constructivo, la longitud de la playa y el sistema de drenaje fueron determinantes para el buen comportamiento sísmico de la estructura.

• Un aspecto importante a considerar en el análisis dinámico es evaluar la generación de presiones de poro excesivas durante la sacudida sísmica, que a su vez puede conducir a algunas deformaciones permanentes que afectan el comportamiento y estabilidad sísmica de la presa.

• El método río arriba-río abajo con terraplén de enrocado puede ser una solución adecuada en áreas de alta sismicidad; sin embargo, requiere una adecuada supervisión durante su etapa de construcción y operación.

BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA  Aceleración Sísmica https://www.igp.gob.pe/servicios/informacion-acelerometrica/aceleracion-sismica  Escala de Mercalli https://sites.ipleiria.pt/seismicknowledge/tag/escala-de-mercalli/  Relación Mercalli-Aceleración https://es.wikipedia.org/wiki/Aceleraci%C3%B3n_s%C3%ADsmica#:~:text=La%20aceleraci%C3%B3n%20s%C3%ADsmica%20es%20una, 81%20m%2Fs2  Ensayos triaxiales https://www.kerwa.ucr.ac.cr/bitstream/handle/10669/13369/8391-11758-1-SM.pdf?sequence=1&isAllowed=y  Presion de poros https://ingeotec.blogspot.com/2018/11/presion-de-poros.html