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INTRODUCCIÓN
Bolivia, país minero, ocupa el puesto 23 del ranking mundial respecto al ICM (Índice de Contribución Minera) referido a la minería no combustible, que tiene en cuenta el dinamismo de la actividad minera, el aporte al PIB y su contribución a la exportación minera (ICMM 2014). Los residuos generados por esta actividad se depositan en presas de colas, las mismas que durante toda su etapa de proyecto deben cumplir con su estabilidad química y física, en particular la estabilidad de sus taludes. Una de las principales compañías mineras en Bolivia es la Empresa Minera Santa Lucía Ltda., a cargo de la presa de colas Agua Dulce. Esta presa se encuentra en etapa de pre-cierre por lo cual es necesario garantizar que en el cierre definitivo de la misma se mantenga estable y segura respecto al análisis estático de sus taludes, debido a que en su etapa constructiva no se cumplieron las características geométricas planteadas en el proyecto original.
Las colas o relaves son los residuos últimos del procesamiento de minerales, donde adquieren una determinada agresividad química producto de la utilización de agentes químicos (plomo arsénico, mercurio, entre otros). Poseen una consistencia lodosa que contiene mineral sedimentado en pequeñas fracciones de rocas inertes e inocuas en grandes volúmenes. La variación del contenido de sólidos da lugar a la existencia de diferentes tipos de relaves, con la finalidad de mejorar su comportamiento físico en función del mayor contenido de sólidos. Los tipos de relaves son: convencional, espesado, en pasta y filtrado, con contenidos de sólidos entre 30%-55%, 40%-70%, 65-85% y superior al 85% respectivamente (Aitken et al. 2017).
Las características geotécnicas que se evalúan en los relaves son idénticas a las de los suelos naturales. Las principales diferencias están en función del mineral precedente del relave, tipo de relave, tiempo y distancia de deposición. Estas características determinan su resistencia, permeabilidad y compresibilidad, lo que a su vez influye en el análisis de estabilidad, filtración y deformación de las presas de colas. Las partículas gruesas del relave se depositan con mayor rapidez, principalmente cerca de los puntos de vertido mientras que las finas tardan más tiempo en depositarse. Los pesos específicos que se pueden encontrar dentro de una misma presa varían hasta en un 25%, variación que es indirectamente proporcional al contenido de sólidos en el relave (Cancela 1987). Los relaves poseen un elevado ángulo de fricción interna, producto del proceso de molienda que sufren dentro del procesamiento de minerales, además de la eliminación de partículas débiles por el lavado y transporte. El grado de saturación es superior al 85%, lo que implica generalmente menor estabilidad geotécnica y mayor probabilidad de rotura de la presa por deslizamiento de taludes y licuación (Rodríguez y Oldecop 2011). Ello se debe a la ocurrencia simultánea de varios fenómenos hidráulicos como el ascenso capilar del agua freática, el aporte de agua que implica el vertido de nuevos relaves y la infiltración del agua de escorrentía.
Las presas de relaves son estructuras geotécnicas destinadas a almacenar los relaves de manera estable e inocua al medio ambiente natural, tanto física como químicamente, generando la menor afectación posible al ecosistema circundante. Las presas de colas almacenan tanto sólidos como líquidos, las mismas colas se usan como material de construcción del dique de la presa en un proceso por etapas, en función del desarrollo de las operaciones mineras, a fin de no anticipar inversiones, reducir la inversión inicial y anticipar cambios en los procesos de extracción y tratamiento de minerales. La tipología de las presas de relaves se encuentra en función del relave almacenado y el lugar de disposición; las más frecuentes son las presas sobre la superficie, construidas bajo los métodos Aguas Arriba, Aguas Abajo y de Eje Central (Espinace 2015), (Palma 2016), siendo el método de Aguas Arriba el de mayor facilidad constructiva y menor estabilidad física.
PRESA DE COLAS “AGUA DULCE”
La presa de colas Agua Dulce (figura 1) se ubica en la comunidad de Agua Dulce, provincia de Tomás Frías, departamento de Potosí, Bolivia. Los relaves almacenados provienen de la planta de tratamiento de la misma denominación, que trata los minerales de zinc (Zn), plomo (Pb) y plata (Ag), que provienen principalmente del Cerro Rico de Potosí y de la Mina Melena.
La presa se ubica en un emplazamiento de 60 000 m2, que almacena 5 000 000 m3 de relave convencional construida por el método Aguas Arriba; alcanzando 15 metros de altura desde la corona del dique de arranque hasta la cota de cierre. Según la Ley Nº 1777 (1997), del Código de Minería de Bolivia, esta presa se clasifica como un dique de gran volumen debido a que las acumulaciones de residuos superan los 50 000 m3. Atendiendo a esto, para garantizar la estabilidad y seguridad de taludes en presas de gran volumen de relaves, se considerará un FS mínimo de 1,5 (Knight Piésod Consultores 2001).
En estas obras geotécnicas se distingue la presencia de tres materiales principales: el suelo de la cimentación, el material de préstamo que compone al dique de arranque y el relave almacenado, cuyas propiedades se reflejan en la tabla 1. Además, es común la presencia de un espejo de agua en la superficie.
Tabla 1 Propiedades geotécnicas de los materiales de la presa de colas Agua Dulce
| MATERIAL | 𝜱o | C (kPa) | γ seco (kN/m3) | γ saturado (kN/m3) | K (m/s) |
|---|---|---|---|---|---|
| Suelo de la cimentación | 25 | 7 | 17,6 | 19,4 | 1 e-15 |
| Dique de arranque | 26 | 8 | 20,0 | 21,5 | 1 e-8 |
| Relave | 31,53 | 10 | 19,5 | 21,2 | 2,82 e-7 |
A partir de los parámetros geotécnicos de los materiales del terraplén y el cimiento de la presa, facilitados por el laboratorio de mecánica de suelos contratado a tal efecto, se desarrolla la presente investigación para determinar las condiciones actuales de estabilidad del talud construido, que difiere geométricamente de lo establecido en el proyecto de cierre, siendo el construido de mayor pendiente. Para ello, se aplican los métodos de análisis más frecuentemente utilizados en este campo, se toman en cuenta diferentes condiciones de drenaje y se analiza la posibilidad de utilizar la explanación resultante como parqueo.
MODELOS PLANTEADOS
La viabilidad del cierre de la presa se analizó bajo potenciales condiciones constructivas. Por ello, se crearon cuatro modificaciones respecto a la sección geométrica de proyecto de la presa, tres modificaciones en las condiciones de drenaje y tres en las condiciones de carga; creando 2 diferentes modelos analizados bajo los métodos de Fellenius, Bishop y Morgenstern & Price (GEO-SLOPE 2012a).
El Modelo 1 (figura 2a) tiene en cuenta las condiciones de drenaje y el Modelo 2 (figura 2b) se analiza bajo las condiciones de carga propuestas, la descripción del código de los modelos se aprecia en la tabla 2.
SECCIONES MODELADAS
La presa de colas Agua Dulce está compuesta por un dique de arranque de taludes 1:2,2 aguas arriba y aguas abajo con una altura promedio de 3,75 m, cuya corona de 4,6 m de ancho se sitúa en la cota 3748 m.s.n.m.
El incremento en altura por el método Aguas Arriba se hizo con la construcción de tres bermas situadas cada cinco metros en elevación, de taludes aguas abajo 1:3. La proyección del talud aguas abajo de la tercera berma se ha visto afectado por modificaciones en la etapa constructiva; el proyecto original plantea que este talud sea 1:3, pero se perfiló con una relación 1:2,34, lo cual pone en duda la seguridad garantizada por el proyecto inicial. Por ello, las modificaciones en las secciones se efectúan en el último talud, desde la cota 3757,9 m.s.n.m. hasta la cota de corona (3763 m.s.n.m.).
La Sección 1 (figura 3a) posee la geometría actual de la presa, el último talud tiene una relación 1:2,34 y llega hasta la cota 3761,7 m. La Sección 2 (figura 3b) llega hasta la cota de cierre con un talud 1:3. La Sección 3 (figura 3c) llega hasta la cota de cierre con un talud 1:2,34. La Sección 4 (figura 3d) tiene la misma geometría que la Sección 3, con la diferencia que dentro de las cotas 3761,7 a 3763 m (cota de cierre) se prevé el posible almacenamiento de un relave con características geotécnicas desfavorables respecto al actualmente depositado, las características geotécnicas de este Relave 2 se aprecian en la tabla 3.
Tabla 2 Parámetros del código de identificación del Modelo 1 y Modelo 2
| Parámetros del código | Simbología en el código | Descripción |
|---|---|---|
| Sección | S1 | Sección actual. |
| S2 | Sección proyecto. | |
| S3 | Sección actual con proyecto de relave actual. | |
| S4 | Sección actual con proyecto que almacena dos tipos de relaves. | |
| Condición de drenaje | CDA | Condición con espejo de agua y drenaje a 6m del pie del talud aguas arriba del dique de arranque. |
| CDB | Condición con espejo de agua y drenaje en la cuneta del vial aguas abajo del dique de arranque. | |
| CDC | Condición con espejo de agua y drenaje en la corona del dique de arranque. | |
| Condición de carga | CCA | Condición sin espejo de agua y con concavidad del espejo de agua. |
| CCB | Condición sin espejo de agua y sin concavidad del espejo de agua. | |
| CCC | Proyección de parqueo sobre la presa de colas Agua Dulce cerrada. | |
| Método de análisis | M1 | Método de Fellenius u ordinario. |
| M2 | Método Bishop. | |
| M3 | Método Morgenstern & Price. |
Tabla 3 Características geotécnicas del Relave 2
| MATERIAL | 𝜱o | C (kPa) | γ seco (kN/m3) | γ saturado (kN/m3) | K (m/s) |
|---|---|---|---|---|---|
| Relave 2 | 25,22 | 8 | 21,45 | 23,32 | 2,82 e-6 |
Condiciones de drenaje
La presa de colas Agua Dulce posee drenes de fondo hasta seis metros arriba del pie del talud aguas arriba del dique de arranque, geomembranas en el fondo de la presa hasta la corona del dique de arranque y debido a la presencia de un espejo de agua en la superficie existe una condición de infiltración.
El análisis de estabilidad de taludes en el Modelo 1 se realizó mediante un análisis precedente de filtración y flujo establecido con el Módulo SEEP/W del software GeoStudio 2012 (GEO-SLOPE 2012b) con el cual se determina la posición de la línea de corriente superior en cada sección.
La Condición CDA (figura 4a) considera el correcto funcionamiento del dren de fondo ubicado a seis metros del pie del talud aguas arriba del dique de arranque.
La Condición CDB (figura 4b) propone que el conducto de flujo libre se encuentra en la cuneta de la carretera Potosí-Uyuni ubicada a 50 metros aguas abajo del dique de arranque. La Condición CDC (figura 4c) considera el drenaje en la corona del dique de arranque, previendo el correcto funcionamiento de las geomembranas y la obstrucción de los drenes de fondo.
Condiciones de carga
Las condiciones de carga no consideran la existencia de un espejo de agua, debido a diferentes factores como evaporación o bombeo de agua y su correspondiente reutilización en la planta de tratamiento, con la finalidad de disminuir el impacto ambiental, o como medida de precaución al otorgarle mayor estabilidad física a la presa.
La Condición CCA (figura 5a) considera la existencia de la concavidad originada por la existencia previa del espejo de agua en la superficie. La Condición CCB (figura 5b) asume que la superficie de cierre es horizontal, producto de una actividad de relleno de la concavidad de la Condición CCA.
La Condición CCC (figura 5c) propone la construcción de un parqueo sobre la cota de cierre de la presa de colas como plan de rehabilitación del área afectada por la presa de colas Agua Dulce, teniendo en cuenta una carga, para un tráfico ligero de 8,6 kPa.
RESULTADOS DEL ANÁLISIS DE LA PRESA DE COLAS AGUA DULCE
Influencia de la variación de las condiciones de drenaje
Con el análisis de filtraciones realizadas en el Modelo 1 para las condiciones de drenaje se analizaron las cuatro secciones, dichos resultados se expresan en la tabla 4 y figura 6, por el método Bishop.
Tabla 4 FS obtenidos en el Modelo 1
| FS en condiciones de drenaje | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Sección | CDA | CDB | CDC | |||
| Modelo | FS | Modelo | FS | Modelo | FS | |
| S1 | S1-CDA-M2 | 1,828 | S1-CDB-M2 | 1,453 | S1-CDC-M2 | 1,356 |
| S2 | S2-CDA-M2 | 1,816 | S2-CDB-M2 | 1,444 | S2-CDC-M2 | 1,352 |
| S3 | S3-CDA-M2 | 1,793 | S3-CDB-M2 | 1,444 | S3-CDC-M2 | 1,348 |
| S4 | S4-CDA-M2 | 1,649 | S4-CDB-M2 | 1,385 | S4-CDC-M2 | 1,342 |
Los resultados del Modelo 1 son superiores a un FS de 1,3 lo que garantiza la estabilidad de la presa de colas bajo todas la condiciones de drenaje planteadas; sin embargo, la seguridad de la presa sólo se garantiza en la Condición CDA donde se aprecian FS superiores a 1,5.
Influencia de la variación de las condiciones de carga
Respecto a las secciones modeladas que no consideran una superficie de infiltración (Modelo 2 cuyos resultados se reflejan en la tabla 5 y figura 7), los resultados en todos los casos son superiores al FS de 1,5 requerido en las regulaciones bolivianas, con lo cual se garantiza la estabilidad y seguridad de la presa de colas Agua Dulce bajo las condiciones de carga planteadas, apreciando, asimismo, que los resultados del Modelo 2 son semejantes cuantitativamente entre sí y las variaciones entre cada condición de carga son mínimas.
Tabla 5 FS obtenidos en el Modelo 1
| FS en condiciones de carga | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Sección | CCA | CCB | CCC | |||
| Modelo | FS | Modelo | FS | Modelo | FS | |
| S1 | S1-CCA-M2 | 2,088 | S1-CCB-M2 | 2,083 | S1-CCC-M2 | - |
| S2 | S2-CCA-M2 | 2,086 | S2-CCB-M2 | 2,081 | S2-CCC-M2 | 2,075 |
| S3 | S3-CCA-M2 | 2,086 | S3-CCB-M2 | 2,080 | S3-CCC-M2 | 2,075 |
| S4 | S4-CCA-M2 | 2,083 | S4-CCB-M2 | 2,080 | S4-CCC-M2 | 2,076 |
Influencia de la variación de la geometría de las secciones
La variación de la geometría de las secciones se analiza en ambos modelos (tabla 6). La figura 8 compara la Sección 2 y 3, que corresponden a las de proyecto original y sección construida, respectivamente, apreciando que la variación de la pendiente respecto a la planteada en el proyecto original del último talud aguas abajo brinda FS similares, resultando poco significativa la variación del último talud para la garantía de la estabilidad de taludes de la presa de colas Agua Dulce.
Tabla 6 FS de las Secciones 2 y 3
| FS para secciones de diferentes pendientes del último talud de la presa | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Condición | S2 (talud 1:2,34) | S3 (talud 1:3) | |||
| Modelo | FS | Modelo | FS | ||
| Condición de drenaje | CDA | S2-CDA-M2 | 1,816 | S3-CDA-M2 | 1,793 |
| CDB | S2-CDB-M2 | 1,444 | S3-CDB-M2 | 1,444 | |
| CDC | S2-CDC-M2 | 1,352 | S3-CDC-M2 | 1,348 | |
| Condición de carga | CCA | S2-CCA-M2 | 2,086 | S3-CCA-M2 | 2,086 |
| CCB | S2-CCB-M2 | 2,081 | S3-CCB-M2 | 2,080 | |
| CCC | S2-CCC-M2 | 2,075 | S3-CCC-M2 | 2,075 | |
La tabla 7 y figura 9 comparan las Secciones 3 y 4 de igual geometría pero que almacenan diferentes relaves entre las cotas 3761,7 m.s.n.m. y 3763 m.s.n.m. De dicha figura se aprecia que bajo una misma geometría la variación del FS no es significativa cualitativamente, apreciando que en las condiciones de drenaje la variación entre ambas secciones es más amplia que bajo las condiciones de carga, apreciando que la Sección 4 es muy desfavorable en el Modelo 1.
Tabla 7 FS de las Secciones 3 y 4
| FS en secciones con igual geometría pero diferentes relaves almacenados | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Condición | S3 | S4 | |||
| Modelo | FS | Modelo | FS | ||
| Condición de drenaje | CDA | S3-CDA-M2 | 1,793 | S4-CDA-M2 | 1,649 |
| CDB | S3-CDB-M2 | 1,444 | S4-CDB-M2 | 1,385 | |
| CDC | S3-CDC-M2 | 1,348 | S4-CDC-M2 | 1,342 | |
| Condición de carga | CCA | S3-CCA-M2 | 2,086 | S4-CCA-M2 | 2,083 |
| CCB | S3-CCB-M2 | 2,080 | S4-CCB-M2 | 2,080 | |
| CCC | S3-CCC-M2 | 2,075 | S4-CCC-M2 | 2,076 | |
CONCLUSIONES
Las características que influyen en la estabilidad y seguridad de los taludes de la presa de colas Agua Dulce, en orden decreciente de importancia, son: presencia de una superficie de infiltración en la presa de colas, posición del conducto de flujo libre en las condiciones de drenaje modeladas, propiedades geotécnicas de los relaves almacenados y variación de la geometría de la presa, respecto a los taludes proyectados.
La desviación del último talud construido respecto al planteado en el proyecto original no es un factor determinante en el análisis de estabilidad de taludes de la presa de colas Agua Dulce.
La viabilidad del cierre, respecto al análisis de estabilidad de taludes del dique de colas Agua Dulce se garantiza bajo el cumplimiento del modelo S3-CDA-M2, para el cual la presa de colas llega hasta la cota de cierre con la pendiente que fue construida durante la etapa de operación, garantizando el correcto funcionamiento de los drenes de fondo.
Para mejorar las características de la presa frente a la estabilidad y seguridad de sus taludes tras su etapa de cierre, es necesario eliminar la condición de infiltración que impone la existencia de un espejo de agua en la superficie, mediante el bombeo y reutilización del agua contenido y la disposición de un drenaje superficial; correspondiente al Modelo 2 donde se asegura un FS superior a 1,9.
Como plan de rehabilitación del área afectada por la presa de colas Agua Dulce se recomienda desarrollar el proyecto que posibilite la construcción de un parqueo vehicular tras el cierre de la presa, debido a la cercanía de la carretera Potosí-Uyuni y a que la carga impuesta en la Condición CCC bajo las secciones analizadas garantizan FS superiores a los requeridos en las regulaciones bolivianas.
